[피스앤칩스]한계서 혁신으로…'HBM' 탄생 배경

프로세서·메모리 반도체 팀워크 중요
GPU 속도 요구 충족 위해 HBM 개발
HBM 전성기 시작…삼성·하이닉스 주목

편집자주 - 현대 산업의 쌀로 불리는 반도체. 매일 듣는 용어이지만 막상 설명하려고 하면 도통 입이 떨어지지 않죠. 어렵기만 한 반도체 개념과 산업 전반의 흐름을 피스앤칩스에서 쉽게 떠먹여 드릴게요. 숟가락만 올려두시면 됩니다.

반도체는 크게 메모리와 시스템으로 영역이 구분됩니다. 메모리 반도체가 정보를 저장한다면, 시스템 반도체는 연산에 초점을 둡니다. 기능이 다른 만큼 내부 구조도, 제품을 만드는 회사도 각각 다르죠. 메모리 반도체 대표 선수는 D램과 낸드플래시가 있고, 시스템 반도체 종류로는 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU)와 같은 프로세서가 있답니다.

물론 메모리와 시스템 반도체가 쓰이는 궁극적인 목적은 같습니다. 사용자가 필요로 하는 컴퓨팅 성능을 제공해야 한다는 점이죠. 현재 컴퓨팅 설계는 '폰 노이만 구조' 기반인데요, 프로세서를 중심으로 메모리가 도움을 주면서 주어진 작업을 처리하는 식이라고 이해하시면 됩니다. 불가분의 협력 관계인 셈이죠.

SK하이닉스가 선보인 12단 적층 24기가비트(GB) 용량의 HBM3 이미지 / [이미지제공=SK하이닉스]

팀워크가 중요한 만큼 누구 하나 모자라선 안 됩니다. 프로세서 기술이 발전하는 속도만큼 메모리 기술도 발전해야 합니다. 프로세서 성능은 월등한데 구형 메모리 제품을 쓸 순 없다는 말입니다. 실제 2010년대 접어들면서 메모리 업계에선 점차 빠른 속도를 요구하는 GPU에 맞춘 메모리 제품을 어떻게 내놓을 수 있을지 고민했습니다. 그 결과 내놓은 제품이 '고대역폭메모리(HBM)'이라고 하네요.

HBM은 크게 보면 메모리 반도체인 D램 종류에 속하지만 일반 D램과는 꽤 많이 다릅니다. D램 칩에 미세한 구멍을 뚫은 뒤 여러 개 D램을 쌓아 만든 제품이죠. 데이터가 들어오는 도로인 대역폭을 넓혀 데이터 전송 속도를 끌어 올린 것이 특징입니다. 여러 D램을 연결하기 위해선 실리콘 전통관극(TSV) 기술을 활용하는데요, 또 다른 메모리 제품인 낸드플래시에도 쓰이는 주요 기술입니다.

삼성전자 HBM3 '아이스볼트' 이미지 / [이미지출처=삼성전자 반도체 뉴스룸 갈무리]

SK하이닉스는 2013년 12월 업계 최초로 TSV 기술을 적용한 HBM 개발에 성공했습니다. GPU와 함께 쓰이는 제품인 만큼 개발 과정에서 GPU 사업자인 미국 AMD와 협력해 1세대 제품을 선보였습니다. 이 과정에서 국제반도체표준화협의기구(JEDEC) HBM 제품 표준화도 진행했다고 합니다. 20나노급 D램을 4단으로 쌓아 당시 최고속 그래픽용 D램보다 데이터 처리 속도가 4배나 빨랐다고 하네요.

10년이 지난 현재는 12단으로 쌓은 HBM 4세대 제품(HBM3)까지 나온 상황입니다. 지난해 챗GPT 효과로 생성형 AI가 주목받으며 AI 서비스 수요가 앞으로 폭발적으로 늘어날 것으로 보입니다. 이 과정에서 GPU와 함께 HBM이 본격적인 전성기를 누리고 있습니다. 메모리 업계 선두주자인 삼성전자와 SK하이닉스 향후 행보가 특히 기대되는 이유이기도 합니다.

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김평화 기자 peace@asiae.co.kr