HBM(High Bandwidth Memory)이란? HBM의 장점과 단점

층층이 쌓은 메모리

 

 

 

HBM (High Bandwidth Memory)이란?

 

HBM은 3D 적층형 DRAM을 위한 고성능 RAM 인터페이스입니다.

기존 DDR 메모리(GDDR)에 비해 대역폭을 크게 향상시킨 특수한 컴퓨터 메모리 유형입니다.

HBM은 기존 메모리 기술보다 훨씬 높은 메모리 대역폭을 제공하여

그래픽 처리 장치(GPU) 및 고성능 컴퓨팅(HPC) 응용 분야에 적합합니다.

데이터를 고속도로 위의 차량으로 비유해 보면,

기존 DDR 메모리는 단일 차선 도로와 같아 한 번에 이동할 수 있는 데이터량이 제한됩니다.

반면 HBM은 다중 차선 고속도로와 같아 훨씬 빠른 데이터 전송이 가능합니다.

HBM은 TSV(Through-Silicon Vias)라는 기술을 사용하여

여러 DRAM(Dynamic Random-Access Memory) 칩을 수직으로 쌓아 이러한 구조를 구현합니다.

이 3D 구조는 데이터 이동 거리를 줄여 대역폭을 높입니다.

삼성전자와 SK하이닉스가 이 분야에서 최고의 기술력을 보유하고 있으며,

시장 점유율을 높이기 위해 경쟁하고 있습니다.

AI 열풍의 최대 수혜자로 여겨지는 엔비디아에 SK하이닉스가 HBM을 공급하고 있습니다.

 

 

 

GDDR5 메모리와 HBM 메모리 비교

 

 

HBM(High Bandwidth Memory)의 역사

HBM은 2013년 AMD와 SK하이닉스가 공동 개발하여 출시된 고성능 메모리 기술입니다. HBM은 기존 DDR 메모리에 비해 획기적으로 높은 대역폭을 제공하며, 이는 인공지능, 고성능 컴퓨팅, 머신 러닝, 그래픽 처리 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다.

 

HBM 기술의 발전 단계:

• 2013년: HBM 1.0 출시. 최대 128GB/s 대역폭 제공.
• 2016년: HBM 2.0 출시. HBM 1.0 대비 2배 향상된 최대 256GB/s 대역폭 제공.
• 2017년: HBM2E 출시. HBM 2.0 기반 에너지 효율 향상 모델.
• 2021년: HBM3 출시. HBM 2.0 대비 2배 이상 향상된 최대 640GB/s 대역폭 제공.

HBM 기술의 주요 기여:

• 고성능 컴퓨팅 시대 개척: HBM 기술은 기존 메모리 기술의 한계를 뛰어넘어 고성능 컴퓨팅 시대의 도래를 가능하게 했습니다.
• 인공지능 발전 촉진: HBM 기술은 인공지능 학습 및 추론 과정에 필요한 방대한 데이터 처리를 가능하게 하여 인공지능 기술 발전에 기여했습니다.
• 다양한 분야의 혁신: HBM 기술은 그래픽 처리, 고성능 컴퓨팅, 데이터 센터 등 다양한 분야에서 혁신을 이끌어내고 있습니다.

HBM 기술의 미래:

HBM 기술은 앞으로 더욱 빠르고 효율적인 메모리 기술로 발전할 것으로 예상됩니다.

• HBM4: HBM3 대비 2배 향상된 최대 1.28TB/s 대역폭 목표. 2026년 출시 예정.
• 3D 적층 기술 발전: 3D 적층 기술 발전을 통해 더욱 높은 칩 밀도와 용량을 달성할 수 있을 것으로 기대됩니다.
• 새로운 응용 분야 개척: HBM 기술은 차세대 컴퓨팅, 메타버스, 가상현실 등 새로운 응용 분야에서도 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.

 

 

HBM(High Bandwidth Memory)의 구조

 

1. 3D 적층 구조:

• HBM은 DRAM 칩을 수직으로 쌓아 3D 구조를 이루는 것이 가장 큰 특징입니다. 이를 통해 데이터 전송 거리를 크게 줄여 대역폭을 향상시킵니다.
• HBM 2.0의 경우 최대 8개의 DRAM 칩을 쌓아 최대 24GB 용량을 제공합니다.
• HBM3의 경우 최대 12개의 DRAM 칩을 쌓아 최대 48GB 용량을 제공합니다.

2. TSV(Through-Silicon Vias) 기술:

• HBM은 칩 사이의 연결을 위해 TSV(Through-Silicon Vias) 기술을 사용합니다. TSV는 칩을 수직으로 관통하는 미세한 전선으로, 칩 간 데이터 전송 속도를 크게 향상시킵니다.
• HBM 2.0의 경우 최대 2,048개의 TSV를 사용합니다.
• HBM3의 경우 최대 6,144개의 TSV를 사용합니다.

3. 인터포저:

• HBM은 DRAM 칩과 메모리 컨트롤러 사이에 인터포저(Interposer)라는 중간 기판을 사용합니다. 인터포저는 칩 간 연결을 단순화하고 신호 무결성을 향상시킵니다.
• 인터포저는 고성능 유기 기판으로 제작됩니다.
• 인터포저는 TSV를 통해 DRAM 칩과 연결되고, 마이크로 볼(Micro Ball)을 통해 메모리 컨트롤러와 연결됩니다.

4. 메모리 컨트롤러:

• HBM은 메모리 컨트롤러를 통해 DRAM 칩의 작동을 제어합니다. 메모리 컨트롤러는 주 메모리와 CPU 간의 데이터 전송을 관리합니다.
• 메모리 컨트롤러는 HBM 모듈에 탑재되거나 CPU 패키지에 내장될 수 있습니다.

 

 

 

HBM(High Bandwidth Memory)의 장점

 

1. 높은 대역폭:

• HBM은 3D 적층 구조, TSV 기술, 인터포저 사용을 통해 기존 DDR 메모리 대비 훨씬 높은 대역폭을 제공합니다.
  • HBM 2.0의 경우 최대 256GB/s, HBM3의 경우 최대 640GB/s의 대역폭을 제공합니다. 이는 GDDR6X 메모리의 대역폭(24Gbps)보다 훨씬 높습니다.
• 높은 대역폭은 다음과 같은 장점을 제공합니다.
  • 데이터 처리 속도 향상: 인공지능, 고성능 컴퓨팅, 머신 러닝, 그래픽 처리 등 데이터 처리 속도가 중요한 분야에서 성능을 크게 향상시킵니다.
  • 병목 현상 감소: 메모리 대역폭이 CPU 성능을 제한하는 병목 현상을 줄여줍니다.

2. 낮은 전력 소비:

• HBM은 짧은 데이터 경로 덕분에 기존 DDR 메모리 대비 전력 소비를 낮춥니다.
  • 이는 발열량 감소에도 기여하며, 특히 공간 제약이 있는 모바일 기기나 데이터 센터 환경에서 유리합니다.
• 낮은 전력 소비는 다음과 같은 장점을 제공합니다.
  • 발열량 감소: 발열량 감소는 시스템 안정성을 높이고, 냉각 시스템 설계를 간소화합니다.
  • 전력 효율 향상: 전력 소비 감소는 전력 효율을 높여 운영 비용을 절감합니다.

3. 소형 크기:

• HBM은 3D 적층 구조 덕분에 기존 DDR 메모리 대비 크기를 감소시킵니다.
  • 이는 얇고 가벼운 노트북이나 모바일 기기에 적합합니다.
• 소형 크기는 다음과 같은 장점을 제공합니다.
  • 공간 활용도 향상: 작은 크기는 공간 활용도를 높여 제품 설계의 유연성을 증가시킵니다.
  • 휴대성 향상: 작고 가벼운 기기를 만들 수 있습니다.

4. 높은 용량:

• HBM은 여러 DRAM 칩을 쌓아 높은 용량을 제공합니다.
  • HBM3의 경우 최대 16GB/칩, 24GB/모듈의 용량을 지원합니다.
• 높은 용량은 다음과 같은 장점을 제공합니다.
  • 더 많은 데이터 저장: 더 많은 데이터를 저장할 수 있어 대규모 데이터 처리 작업에 유리합니다.
  • 성능 향상: 용량이 충분하면 메모리 스와핑이 발생하지 않아 성능이 향상됩니다.

5. 고성능 응용 분야 활용:

• HBM은 높은 대역폭, 낮은 전력 소비, 소형 크기, 높은 용량의 특징으로 인해 인공지능, 고성능 컴퓨팅, 머신 러닝, 그래픽 처리 등 고성능 응용 분야에서 활용됩니다.
• HBM은 다음과 같은 분야에서 성능 향상에 기여합니다.
  • 인공지능: 인공지능 학습 및 추론 과정에 필요한 방대한 데이터 처리를 가능하게 합니다.
  • 고성능 컴퓨팅: 고성능 컴퓨팅 시스템의 메모리 대역폭 병목 현상을 해결합니다.
  • 머신 러닝: 머신 러닝 알고리즘의 학습 및 실행 속도를 향상시킵니다.
  • 그래픽 처리: 고해상도 영상 및 3D 그래픽 처리를 위한 높은 대역폭을 제공합니다.

 

 

 

 

HBM(High Bandwidth Memory)의 단점

 

1. 높은 비용:

• HBM은 복잡한 제조 공정과 낮은 생산량으로 인해 기존 DDR 메모리에 비해 가격이 훨씬 비쌉니다.
  • HBM 2.0의 경우 GDDR6 메모리 대비 약 3배, HBM3의 경우 GDDR6X 메모리 대비 약 5배 이상 비쌉니다.
• 높은 비용은 다음과 같은 문제점을 야기합니다.
  • 제한된 채택: 높은 비용으로 인해 HBM은 일부 고성능 그래픽 카드, AI 가속기, 데이터 센터 서버 등에만 적용됩니다.
  • 가격 민감 시장 진출 어려움: 가격 민감적인 소비자 시장 진출에 어려움을 겪습니다.

2. 높은 열 발열:

• HBM은 높은 성능을 위해 많은 전력을 소비하며, 이는 높은 열 발열로 이어질 수 있습니다.
• 높은 열 발열은 다음과 같은 문제점을 야기합니다.
  • 열 관리 어려움: 효과적인 열 관리 시스템이 필요하며, 이는 제품 설계 및 제조 비용을 증가시킵니다.
  • 시스템 안정성 저하: 열 관리가 적절하지 않을 경우 시스템 안정성이 저하될 수 있습니다.

3. 제한된 호환성:

• HBM은 기존 DDR 메모리와 호환되지 않아 새로운 메모리 컨트롤러 및 마더보드가 필요합니다.
• 제한된 호환성은 다음과 같은 문제점을 야기합니다.
  • 업그레이드 어려움: 기존 시스템을 HBM으로 업그레이드하는 것이 어렵습니다.
  • 새로운 플랫폼 개발 필요: HBM을 활용하기 위한 새로운 플랫폼 개발이 필요합니다.

4. 복잡한 제조 공정:

• HBM은 3D 적층 구조, TSV 기술, 인터포저 사용 등 복잡한 제조 공정을 거치기 때문에 생산량이 낮고 불량률이 높습니다.
• 복잡한 제조 공정은 다음과 같은 문제점을 야기합니다.
  • 낮은 생산량: 높은 수요에도 불구하고 생산량이 부족하여 공급 부족 문제가 발생할 수 있습니다.
  • 높은 불량률: 불량률이 높아 생산 비용이 증가하고 가격 경쟁력이 약화될 수 있습니다.

5. 미래 기술 불확실성:

• HBM은 비교적 새로운 기술이며, 향후 더 나은 메모리 기술이 등장할 가능성이 있습니다.
• 미래 기술 불확실성은 다음과 같은 문제점을 야기합니다.
  • 투자 위험: HBM 기술에 대한 투자가 위험할 수 있습니다.
  • 기술 진화에 따른 구식화 가능성: 향후 새로운 기술에 의해 HBM이 구식화될 가능성이 있습니다.

 

 

HBM 기술은 지속적인 발전을 통해 생산량 증가, 불량률 감소, 가격 경쟁력 향상, 열 관리 기술 개선 등의 노력이 이루어지고 있습니다. 또한, 새로운 응용 분야 개척, 표준화 및 규격 확립 등을 통해 HBM 기술의 대중화가 추진되고 있습니다.

결론적으로 HBM은 높은 성능을 제공하는 혁신적인 메모리 기술이지만, 아직 해결해야 할 과제들이 존재합니다. HBM 기술의 발전과 대중화를 위해 지속적인 노력이 필요하며, 이러한 노력을 통해 HBM 기술은 컴퓨팅 시대의 발전을 이끄는 핵심 기술로 자리매김할 것으로 기대됩니다.