[남몰래 채우는 상식] 한국은 반도체 강국이다. 요즘 자주 언급되는 HBM은 뭐야?

1. HBM이란?

**HBM(High Bandwidth Memory)**는 고대역폭 메모리로 불리며, 기존의 DRAM(Dynamic Random Access Memory) 기술을 혁신적으로 개선한 차세대 메모리 기술입니다. 고대역폭 메모리는 데이터를 빠르게 처리하고 전력 효율을 크게 개선하기 위해 설계되었으며, 주로 인공지능(AI), 고성능 컴퓨팅(HPC), 그래픽 카드, 데이터 센터 등 고속 연산이 필요한 분야에서 사용됩니다.

1.1. HBM의 구조와 특징

• 3D 적층(3D Stacking): HBM은 여러 개의 DRAM 칩을 수직으로 적층(Stacking)하여 설계됩니다. 칩 간 통신을 위해 TSV(Through-Silicon Via) 기술을 활용합니다.
• 높은 데이터 대역폭: 기존 DRAM 대비 데이터 전송 속도가 월등히 높습니다. 예를 들어, HBM2의 대역폭은 GDDR5 대비 약 4~8배 빠릅니다.
• 저전력: 데이터 전송 시 소비 전력이 기존 메모리보다 낮아, 고성능 컴퓨팅 시스템에서도 효율적입니다.
• 공간 절약: 메모리와 프로세서를 물리적으로 가까이 배치하여 시스템 설계가 더욱 간소화됩니다.

---

2. HBM 이전의 메모리 기술

2.1. DDR 메모리

• DDR(Double Data Rate) 메모리: HBM 이전에는 주로 DDR 메모리가 표준이었습니다. DDR은 단일 클럭 주기에서 두 번 데이터를 전송하며, 데이터 전송 속도를 높였습니다. DDR 기술은 DDR1부터 DDR5까지 발전하며 현재도 메인 메모리로 사용되고 있습니다.
• DDR의 한계:
  • 클럭 속도와 대역폭은 지속적으로 증가했지만, 물리적 설계와 전력 효율성에서 한계를 드러냈습니다.
  • 고속 연산이 필요한 AI, HPC 환경에서는 DDR만으로는 충분하지 않은 성능 문제를 해결할 수 없었습니다.

2.2. GDDR 메모리

• GDDR(Graphics DDR): 그래픽 처리에 특화된 메모리로, GPU와 함께 사용되며 데이터 처리 속도와 대역폭이 DDR보다 높습니다.
• GDDR의 한계:
  • HBM 대비 데이터 처리 속도와 전력 효율성이 떨어집니다.
  • 적층 설계가 불가능해 물리적 공간 제약이 크며, 발열 문제도 더 심각합니다.

---

3. HBM과 기존 메모리의 차이점

3.1. 성능 차이

• 대역폭: HBM은 GDDR 대비 대역폭이 월등히 높습니다. 예를 들어, HBM2는 최대 256GB/s의 대역폭을 제공하며, HBM3는 이를 초과합니다.
• 전력 소모: HBM은 데이터 전송당 소비 전력이 GDDR 대비 50% 이상 낮아 효율적입니다.

3.2. 기술적 차이

• 적층 기술: HBM은 DRAM 칩을 수직으로 적층하여 설계하는 반면, GDDR은 2D 평면 설계 방식을 사용합니다.
• TSV 기술: HBM은 TSV를 사용하여 칩 간 통신을 지원하며, 데이터 처리 속도와 전력 효율성을 높입니다.

3.3. 응용 분야

• HBM: 고성능 컴퓨팅, AI, 자율주행, 클라우드 컴퓨팅 등.
• GDDR: 그래픽 카드, 게임 콘솔 등.

---

4. HBM의 주요 생산 기업

4.1. SK하이닉스

• 세계 HBM 시장의 선도자: SK하이닉스는 HBM2부터 HBM3, 최근 HBM3E까지 성공적으로 개발 및 양산하며 기술적 리더십을 보이고 있습니다.
• 주요 고객: 엔비디아, AMD 등 글로벌 기업들에 고성능 메모리를 공급하고 있습니다.

4.2. 삼성전자

• 삼성전자는 HBM 시장에서 SK하이닉스와 함께 경쟁하고 있습니다.
• 최근 HBM3E 양산을 준비 중이며, 품질 및 생산 안정성을 개선해 시장 점유율 확대를 목표로 하고 있습니다.

4.3. 마이크론

• 미국 기반의 마이크론도 HBM 시장에 참여하고 있으나, 시장 점유율은 상대적으로 낮습니다.
• HBM3와 같은 고급 메모리 개발에 박차를 가하고 있습니다.

---

5. HBM의 발전 전망

5.1. 기술 발전

• HBM4와 Beyond: 현재 연구 중인 HBM4는 기존 HBM3 대비 데이터 전송 속도와 적층 효율성을 더욱 높일 것으로 기대됩니다.
• 3D 적층 기술의 고도화: TSV 기술을 개선하여 적층 칩의 수를 늘리고 발열 및 전력 소모를 최소화할 예정입니다.

5.2. 응용 분야의 확장

• AI와 HPC뿐 아니라, 자율주행차, 메타버스, 스마트 공장 등 차세대 기술에서의 수요가 폭발적으로 증가할 전망입니다.

5.3. 가격 경쟁력 확보

• HBM의 초기 도입 비용은 GDDR보다 높지만, 대량 생산 및 기술 성숙도를 통해 가격이 점진적으로 낮아질 것으로 보입니다.

---

6. 결론

HBM은 기존 DRAM과 GDDR 메모리의 한계를 극복하며, 인공지능과 고성능 컴퓨팅 시대를 이끄는 핵심 기술로 자리 잡고 있습니다. SK하이닉스, 삼성전자와 같은 한국 기업들이 HBM 시장을 주도하고 있으며, HBM4와 같은 차세대 메모리 개발을 통해 미래 산업 전반에서의 영향력을 확대할 것으로 기대됩니다. HBM은 기술 혁신과 시장 수요의 상승세를 바탕으로 더욱 발전할 전망입니다.