삼성전자가 업계 최초로 36GB(기가바이트) HBM3E(5세대 HBM) 12H(High, 12단 적층) D램 개발에 성공하고 고용량 HBM 시장 선점에 나선다.

삼성전자는 24Gb(기가비트) D램 칩을 TSV(Through-Silicon Via, 실리콘 관통 전극) 기술로 12단까지 적층해 업계 최대 용량인 36GB HBM3E 12H를 구현했다.

* 24Gb(기가비트) D램 용량 = 3GB(기가바이트)    
* HBM3E 12H D램 용량 : 36GB (3GB D램 x 12)
* TSV: 수천 개의 미세 구멍을 뚫은 D램 칩을 수직으로 쌓아 적층된 칩 사이를 전극으로 연결하는 기술

HBM3E 12H는 초당 최대 1,280GB의 대역폭과 현존 최대 용량인 36GB을 제공해 성능과 용량 모두 전작인 HBM3(4세대 HBM) 8H(8단 적층) 대비 50% 이상 개선된 제품이다.

* HBM3E 12H는 1,024개의 입출력 통로(I/O)에서 초당 최대 10Gb를 속도를 지원함. 초당 1,280GB를 처리할 수 있어 1초에 30GB 용량의 UHD 영화 40여편을 업(다운)로드 할 수 있는 속도
* 성능은 고객사 모의 환경 기반의 내부 평가 결과이며, 실제 환경에 따라 변동 가능

삼성전자는 ‘Advanced TC NCF'(Thermal Compression Non Conductive Film, 열압착 비전도성 접착 필름) 기술로 12H 제품을 8H 제품과 동일한 높이로 구현해 HBM 패키지 규격을 만족시켰다.

‘Advanced TC NCF’ 기술을 적용하면 HBM 적층수가 증가하고, 칩 두께가 얇아지면서 발생할 수 있는 ‘휘어짐 현상’을 최소화 할 수 있는 장점이 있어 고단 적층 확장에 유리하다.

삼성전자는 NCF 소재 두께도 지속적으로 낮춤으로써, 업계 최소 칩간 간격인 ‘7마이크로미터(μm)’를 구현했다. 이를 통해 HBM3 8H 대비 20% 이상 향상된 수직 집적도를 실현했다.

특히, 칩과 칩사이를 접합하는 공정에서 신호 특성이 필요한 곳은 작은 범프를, 열 방출 특성이 필요한 곳에는 큰 범프를 목적에 맞게 사이즈를 맞춰 적용했다. 크기가 다른 범프 적용을 통해 열 특성을 강화하는 동시에 수율도 극대화했다.

* 범프(Bump): 칩 사이를 전기적으로 연결하기 위해 형성한 전도성 돌기를 통칭

또 삼성전자는 NCF로 코팅하고 칩을 접합해 범프 사이즈를 다양하게 하면서 동시에 공극(Void)없이 적층하는 업계 최고 수준의 기술력도 선보였다.

삼성전자가 개발에 성공한 HBM3E 12H는 AI 서비스의 고도화로 데이터 처리량이 급증하는 상황 속에서 AI 플랫폼을 활용하는 다양한 기업들에게 최고의 솔루션이 될 것으로 기대된다.

특히, 성능과 용량이 증가한 이번 제품을 사용할 경우 GPU 사용량이 줄어 기업들이 총 소유 비용(TCO, Total Cost of Ownership)을 절감할 수 있는 등 리소스 관리를 유연하게 할 수 있는 것도 큰 장점이다.

예를 들어 서버 시스템에 HBM3E 12H를 적용하면 HBM3 8H를 탑재할 때 보다 평균 34% AI 학습 훈련 속도 향상이 가능하며, 추론의 경우에는 최대 11.5배 많은 AI 사용자 서비스가 가능할 것으로 기대된다.

* 동일 GPU 인프라 조건에서 내부 데이터와 시뮬레이션을 기반으로 산출한 값

삼성전자 메모리사업부 상품기획실장 배용철 부사장은 “삼성전자는 AI 서비스를 제공하는 고객사의 고용량 솔루션 니즈에 부합하는 혁신 제품 개발에 힘쓰고 있다”며 “앞으로 HBM 고단 적층을 위한 기술 개발에 주력하는 등 고용량 HBM 시장을 선도하고 개척해 나갈 것”이라고 밝혔다.

삼성전자는 HBM3E 12H의 샘플을 고객사에게 제공하기 시작했으며 상반기 양산할 예정이다.

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■ 최대 용량, 최저 소비전력 ‘128기가바이트 TSV D램 모듈’ 본격 양산

삼성전자는 지난해 8월 TSV 기술로 ’64기가바이트 DDR4(Double Data Rate 4) D램 모듈’ 양산에 성공해 3차원 D램 시장을 창출한 데 이어, ‘128기가바이트 TSV D램 모듈’ 양산으로 D램 용량 한계를 돌파했습니다.

이번 128기가바이트 TSV D램 모듈은 최고 용량뿐만 아니라 초고속, 초절전, 고신뢰성 등 그린 IT의 요구 사항을 모두 만족해, 차세대 엔터프라이즈 서버와 데이터센터를 위한 최고의 솔루션을 제공합니다.

128기가바이트 D램 모듈에는 삼성전자의 최신 20나노 공정을 적용한 8기가비트(Gb) DDR4 D램 칩 총 144개로 이루어져 있으며, 외관상으로는 각 칩을 TSV적층 기술로 4개씩 쌓은 패키지 36개가 탑재된 모습인데요.

TSV 기술은 기존 와이어(금선)을 이용한 패키지보다 신호 전송 특성이 우수할 뿐만 아니라 최적화된 칩 동작회로를 구성할 수 있어 더욱 빠른 동작속도와 낮은 소비전력을 동시에 구현할 수 있습니다.

특히 이번 128기가바이트 TSV D램 모듈은 기존 와이어(금선)을 이용한 64기가바이트 D램 모듈에 비해 용량뿐만 아니라 속도도 2배 정도 빠른 2,400Mbps를 구현하면서도(최대 3,200Mbps까지 가능) 소비전력량을 50%나 줄일 수 있습니다.

또한 삼성전자는 올해 중에 TSV 기술을 적용해 ‘128기가바이트 DDR4 LRDIMM’ 제품도 연이어 양산해 ‘TSV 풀라인업’을 제공하고, 초고용량 D램 수요 증가세에 맞춰 20나노 8기가비트 D램의 생산 비중을 빠르게 늘려 제조 경쟁력을 한 단계 높일 전략입니다.

삼성전자 메모리사업부 전략마케팅팀 최주선 부사장은 ” 128기가 D램 모듈 양산으로 글로벌 IT 고객들이 투자 효율성을 더욱 높인 차세대 서버 시스템을 적기에 출시할 수 있게 되었다”며, “향후 다양한 분야의 시장 선도 고객들과 기술 협력을 확대하고 글로벌 IT 시장 변화를 가속화해 소비자의 사용편리성을 높이는데 기여해 나갈 것”이라고 강조했습니다.

한편 삼성전자는 TSV 기술을 활용해 대역폭을 크게 끌어올린 차세대 초고속 컴퓨팅용 HBM(High Bandwidth Memory) 제품에 이어 컨슈머 시장용 제품도 적기에 양산해 새로운 프리미엄 메모리 시장 확대를 주도하고 차별화된 사업 위상을 더욱 강화시켜 나갈 예정입니다.

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