HBM 뜻(개념, 장점, 단점, 향후 전망) 2024년 최신 업데이트

 

 

1. HBM 뜻

 

-고대역폭 메모리(High Bandwidth Memory, HBM)는 기존에 사용중이였던 메모리 기술인 DDR(Double Data Rate), SDRAM보다 훨씬 높은 데이터 전송률과 저전력 소비를 제공하는 부가가치가 높은 메모리 구조 이자 적층형 메모리 규격을 말합니다. HBM은 SK 하이닉스와 AMD라는 회사의 협력으로 2013년에 최초로 개발되었습니다.

2. 구조

 

-HBM을 고안하게 된 배경은 기존의 GDDR계열의 SGRAM을 대체하고 좀 더 고대역폭의 고성능 메모리가 필요해서였습니다. HDM의 구조는 메모리 다이를 적층하여 실리콘다발이 관통하는 통로(TSV)를 통해 주요 프로세서와 통신하는 것으로 이전 메모리와 다르게 인터포저라는 중간 단계가 필요합니다. (인터포저란 GDDR 계열의 SGRAM과 달리 미세공정에 의하여 제작된 집적회로의 배선 연결을 도와주는 것입니다.)

 

-1024개나 되는 미세한 핀을 연결하기 위해 기판을 기존의 방식대로 그대로 붙일 수는 없습니다. 1024개나 되는 배선을 GPU와 연결하기 위해 위에 설명드린 인터포저를 통해 GPU와 HBM을 가깝게 배치하여 만들어지게 되었습니다.

 

 

 

3. HBM 역사 및 향후 전망

-HBM이 나왔을 초기에는 GDDR에 비해 월등한 성능을 보여주지 못해 찬밥을 먹었습니다. HBM 1세대 초기 당시에 HBM 4개와 GDDR 12개 배치한 것을 비교했을 때 성능, 대역폭 및 용량의 차이가 그리 크지 않았기 때문에 굳이 비싼 HBM을 살 필요가 있느냐는 의견이 우세했습니다. 또한 그 당시 고용량 게임도 없었고 AI 사용이 한정되다보니 삼성전자 역시 미래 먹거리로 부족하다는 판단하에 잠깐 사업을 철수하기도 했습니다.

 

-하지만 시간이 지나 HBM 성능이 향상되면서 GDDR과 HBM 사이의 기술, 성능 격차가 벌어지기 시작했습니다. GDDR의 경우 단층으로 만들어진 구조라 성능 개선의 유리 천장이 확실한 반면 HBM의 경우 인터포저를 이용하여 메모리 다이를 잘 쌓기만 하면 용량과 대역폭이 배로 늘어나 상대적으로 기술 향상의 속도가 빨랐습니다. 머지 않아 AI(인공지능) 분야의 수야가 늘어남에 따라 메모리를 많이 쓸 수 밖에 없는 HBM이 각광 받기 시작했습니다.

SK하이닉스 출처

-21년 SK하이닉스가 HBM3를 개발한 이후 22년 1월 말 HBM3의 JEDEC 표준 사양이 발표되었습니다.(JEDEC은 JEDEC 솔리드 스테이트 기술협회로 미국 전자 산업 협회의 반도체 공학 표준체로 쉽게 말해 반도체 표준 규격을 말합니다.)

 

-현재 삼성과 SK하이닉스의 주가 상승폭 차이가 나는 것 역시 19년에 개발 철수를 지시했던 삼성전자가 뒤늦게 4세대 HBM 반도체 개발을 시작하였기 때문입니다. 이미 1년이나 일찍 개발한 SK하이닉스가 반도체 업체에 납품을 시작하면서 삼성전자가 경쟁에서 뒤쳐졌다는 평가도 나왔었습니다.

 

23년 해당 반도체 분야 점유율을 살펴보면 SK하이닉스가 53%, 삼성전자가 38%로 합치면 90% 정도의 점유율을 보여주고 있습니다. 나머지 10% 정도를 마이크론이 차지하고 있습니다. 눈에 띄는 점은 24년 기준 SK하이닉스의 HBM3의 점유율이 90%가 될 정도로 독주하고 있다는 점입니다. 미국에 거대한 반도체 회사인 엔비디아가 자사 GPU에 제품을 결합해 판매하고 있어 SK하이닉스가 협력사로서 시장점유율에 상당히 유리한 고지를 점하고 있습니다.

 

-AI 학습력이 1년에 몇 천, 몇 만배라는 뉴스가 나오면서 앞으로 AI 반도체 수요로 인한 HBM의 요구도는 더 커질 것으로 보입니다. 시장 점유율이 나뉘며 앞으로 파이게임에서 어떤 기업이 더 선점할지 눈여겨 지켜봐야할 거 같습니다.

 

4. HBM 장점

 

1) 짧은 지연시간과 메모리 고대역폭

 

기존의 GDDR과 다르게 메모리 간의 층이 쌓이면서 1024개나 되는 채널이 구멍을 통해 이동하도록 구성된 것이 특징이라고 말씀드렸는데요. GPU와 HBM을 가깝게 배치하면서 통신거리가 엄청나게 짧아지면서 전송율을 방해할 요인이 줄어들게 되었습니다. 덕분에 GDDR에 비해 짧은 레이턴시, 높은 대역폭을 뽐내며 장애물의 방해 없이 구현이 가능하다는 장점이 있습니다.(레이턴시는 쉽게 말해 지연, 지연시간이라고 할 수 있습니다. 일종의 버퍼링이라고 생각하면 이해가 쉬울 듯 합니다.)

 

2) 줄어든 크기의 칩, 컨트롤러 면적

 

PCB(집적 회로, 저항기, 스위치 등의 전기적 부품을 올려서 납땜하는 얇은 판)에서 차지하는 공간을 대폭 줄일 수 있기 때문에 면적대비 성능 효율이 훨씬 좋습니다. 스마트폰으로 예로 들면 무겁고 크기가 큰 휴대폰에서 갈수록 슬림해지고 가벼워지면서 성능은 업그레이드는 것을 생각하시면 될 거 같습니다. 굳이 무겁고 느린 제품보다는 가볍고 빠른 제품을 사용하지 않을까 싶네요.

 

HBM은 적층으로 쌓기 때문에 메모리 성능을 올리기 위해 성능 밀도를 올리더라도 GDDR 계열 SGRAM보다 상대적으로 차지하는 공간이 작습니다.

 

3) 메모리 용량을 확장하기 유리한 구조

 

HBM이 점점 업그레이드 되면서 초기에 GDDR6과 경쟁하던 HBM 메모리는 4층까지 적층하여 층당 2GB로 총 8GB가 전부였습니다. 하지만 HBM2, HBM3가 출시되면서 12층짜리 24GB가 등장하였습니다. 위에서 설명 드렸듯이 GPU, GDDR 간의 물리적인 거리가 늘어나게 되면 전송율 오류, 지연시간, 버퍼링이 증가할 수 밖에 없지만 HBM의 경우 수평이 아닌 수직으로 쌓는 구조라 기술만 발전한다면 메모리를 쌓아가며 용량을 계속해서 늘려갈 수 있습니다.

 

4) 낮은 전력 소모량

 

HBM 칩 개별로 봤을 때는 GDDR보다 전력 소모량이 높지만 1GB 당 와트를 따져보면 GDDR보다 4분의 1 수준의 전력 소모량을 보여줍니다.

 

4. HBM 단점

 

1) GDDR보다 요구되는 구현 난이도와 저렴하지 않은 가격

 

SGRAM의 경우 단순히 PCB에 부품들을 붙이기만 하면 되지만 HBM의 경우 인터포저를 추가하는 기술 및 공정 과정이 필요합니다. 이를 위해 파운드리 회사인 TSMC의 최신 공정인 CoWoS를 사용해야하지만 그 시간과 비용이 상당히 소모됩니다. 또한 가격에 비해 HBM을 쌓는 과정에서 열이나 납땜 작업 중 불량 나는 경우가 부지기수라고 합니다. 납땜 작업시 불량율이 낮은 GDDR을 생각하면 비용이 계속 지출되기 때문에 현재는 GDDR을 완전히 대체하기에 무리가 있어 보입니다.

 

2)복잡한 구조와 비교적 낮은 공정 숙련도로 인해 발생하는 낮은 내구성

 

GDDR의 경우 메모리가 고장나더라도 쉽게 수리가 가능하지만 HBM의 경우 인터포저가 가깝게 연결되어 있어 고장이 났을 경우 수리가 매우 까다롭고 사실상 자가수리가 불가능하다.

 

3)낮은 메모리 클럭 및 오버클럭 저마진

 

-GDDR의 경우 넓은 면적에 배치되어 열원이 분산되기 용이하나 HBM의 경우 하나의 칩에 적층으로 쌓기 때문에 열원이 집중되게 됩니다. 그러므로 열이 배출되기 쉽지 않은 구조라 메모리가 과도하게 클럭이 부과되어 성능 증가에 비해 발열이 심하게 나타납니다.(클럭이란 컴퓨터 부품의 기본 연산 속도를 말하며 오버클럭이란 사용자가 임의로 클럭을 끌어올리는 것을 말합니다.)

 

 

오늘은 HBM 뜻, 장점, 단점 및 향후 전망까지 알아보았습니다. 혹시나 삼성전자우 주가분석, 배당일 및 배당금이 궁금하신 분들은 서둘러 확인하셔서 배당 기준일 놓치는 일 없으시길 바랍니다. 

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