산업 산업일반

"HBM 전력 덜 쓰고 더 빠르게" 삼성, 美 특허…'맞춤형 HBM' 경쟁력↑

뉴스1

삼성전자가 미국에서 등록한 고대역폭메모리(HBM) 제어 기술 미국 특허 도면. 기존 구조(위)는 메모리 컨트롤러가 HBM 외부에 배치돼 인터포저를 통해 데이터를 주고받지만, 새로운 구조(아래)는 HBM 최하단 로직다이에 컨트롤러를 통합해 적층 D램과 직접 통신하도록 설계했다./뉴스1

(서울=뉴스1) 황진중 기자 = 삼성전자(005930)가 고대역폭메모리(HBM)의 데이터 전송 지연과 전력 소모를 줄일 수 있는 반도체 제어기술로 미국 특허를 취득했다. HBM 내부에 메모리 컨트롤러를 통합하고 적층된 D램을 직접 제어하도록 설계한 기술이다. 차세대 맞춤형 HBM 시장에서 경쟁력을 높일 수 있는 기술로 주목된다.

HBM 내부에서 D램 직접 제어…데이터 전송 효율 높여

8일 업계에 따르면 삼성전자는 최근 미국에서 '로직다이와 이를 포함하는 반도체 장치'라는 명칭의 특허를 등록했다. 메모리 컨트롤러와 인터페이스 회로를 HBM 내부 로직다이에 배치하고 여러 층으로 쌓인 D램과 직접 통신하도록 설계한 기술이다.

HBM은 여러 개의 D램을 수직으로 쌓아 데이터 처리 성능을 높인 반도체다. 인공지능(AI) 연산을 담당하는 그래픽처리장치(GPU)에 대량의 데이터를 빠르게 공급하는 역할을 한다. 최하단에는 적층 D램과 외부 반도체 사이에서 신호 전달을 담당하는 로직다이가 배치된다.

표준 HBM 구조에서는 GPU 등 외부 반도체에 있는 메모리 컨트롤러가 인터포저를 거쳐 D램과 데이터를 주고받는다. 인터포저는 서로 다른 반도체 칩을 연결하는 기판이다. 이 과정에서 데이터와 제어 신호가 이동하는 거리가 길어져 전송 지연이 발생할 수 있다.

삼성전자가 특허를 확보한 기술은 메모리 컨트롤러를 로직다이 내부에 배치하고 실리콘관통전극(TSV)을 통해 적층 D램을 직접 제어하는 구조다. TSV는 반도체 칩을 수직으로 관통하는 미세 전극으로, 여러 층의 D램 사이에서 데이터를 전달하는 통로 역할을 한다.

이번 특허의 특징은 메모리 컨트롤러와 D램 사이에서 발생하는 전압과 클록 신호의 차이를 보정하는 회로 설계에 있다.

메모리 컨트롤러와 D램은 서로 다른 전압으로 작동할 수 있다. 데이터 처리 시점을 맞추는 기준 신호인 클록도 서로 다르게 사용할 수 있어 신호를 안정적으로 전달하려면 변환 과정이 필요하다.

삼성전자는 이를 해결하기 위해 각각의 TSV와 연결되는 인터페이스 회로를 로직다이에 배치했다. 해당 회로가 메모리 컨트롤러에서 전달되는 신호의 전압을 D램에 맞게 변환하고, 반대로 D램에서 전달되는 신호를 컨트롤러에 맞춰 조정하도록 설계했다.

삼성전자는 메모리 컨트롤러 등 고객사별로 필요한 기능을 로직다이에 통합하는 맞춤형 HBM 개발을 추진하고 있다. 이번에 특허를 등록한 기술 역시 메모리 컨트롤러를 로직다이에 배치하는 구조를 기반으로 한다.

삼성전자 연구진은 "해당 기술을 활용하면 메모리 인터페이스의 설계 난도를 줄일 수 있다"며 "이를 통해 설계 자유도를 증가시킬 수 있다"고 설명했다.

빅테크 자체 AI 반도체 개발 확대…맞춤형 HBM 수요 증가

이번 특허가 더욱 주목받는 것은 맞춤형 HBM에 활용될 수 있어서다. 구글·아마존 등 글로벌 빅테크 기업들이 자체 AI 반도체 개발을 확대하면서 맞춤형 HBM 수요도 커지고 있다. 고객사의 AI 반도체 구조에 맞춰 메모리 용량과 데이터 전송 속도, 전력 특성, 인터페이스 등을 조정하는 형태다.

이에 따라 특정 연산 작업에 최적화된 주문형 반도체(ASIC)가 HBM의 새로운 수요처로 부상하고 있다. 골드만삭스는 올해 기준 ASIC용 HBM 수요가 전년 대비 82% 증가해 전체 HBM 수요의 약 3분의 1을 차지할 것으로 전망했다. GPU 중심이던 HBM 수요가 빅테크의 자체 AI 반도체로 확대되고 있다는 분석이다.

삼성전자는 올해 HBM4 양산을 시작한 데 이어 2027년부터 고객사 요구에 맞춘 맞춤형 HBM 샘플을 순차적으로 공급할 계획이다. 메모리와 파운드리, 첨단 패키징 기술을 결합해 고객사별 제품을 개발한다는 구상이다.

업계는 맞춤형 HBM 개발에 고객사와의 긴밀한 협력이 필요하다고 본다. 고객사별 반도체 구조에 맞는 HBM을 개발하고 생산 수율을 안정화하는 데 오랜 시간이 걸리는 만큼 메모리 기업과의 장기적인 협력 관계가 중요하다는 설명이다.

이종욱 삼성증권 테크팀장은 "고객사와 메모리 기업 사이의 장기적 파트너십이 필수"라며 "특정 범용 그래픽처리장치(GPGPU), ASIC에 맞는 시스템 단위의 최적화가 필요하다"고 분석했다.