삼성전자가 업계 최초로 D램 칩을 12단으로 쌓은 5세대 고대역폭 메모리(HBM) D램 개발에 성공했다.

업계 최대인 36기가바이트(GB) 용량을 구현한 제품으로, 삼성전자는 상반기 양산에 나서 고용량 HBM 시장을 선점한다는 계획이다.

27일 삼성전자는 24기가비트(Gb) D램 칩을 실리콘 관통 전극(TSV) 기술로 12단까지 적층해 업계 최대 용량인 36GB HBM3E(5세대 HBM) 12H(High·12단 적층)를 구현했다고 밝혔다.

TSV는 수천 개의 미세 구멍을 뚫은 D램 칩을 수직으로 쌓아 적층된 칩 사이를 전극으로 연결하는 기술로, 삼성전자는 이 기술로 3GB 용량인 24Gb D램을 수직으로 12개 쌓아 현존 최대 용량을 구현하는 데 성공했다.

▲ 삼성전자 HBM3E 12H D램 제품 이미지.

삼성전자는 HBM3E 12H의 샘플을 고객사에게 제공하기 시작했으며 상반기 양산할 예정이다.

이번에 개발한 HBM3E 12H는 성능과 용량 모두 전작인 HBM3(4세대 HBM) 8H(8단 적층) 대비 50% 이상 개선됐다.

초당 최대 1천280GB를 처리할 수 있는데, 이는 1초에 30GB 용량의 UHD 영화 40여편을 업로드 또는 다운로드할 수 있는 속도다.

삼성전자는 '첨단 열압착 비전도성 접착 필름'(Advanced Thermal Compression Non Conductive Film·이하 첨단 TC NCF) 기술로 12단 적층 제품을 8단 적층 제품과 동일한 높이로 구현해 HBM 패키지 규격을 만족시켰다고 설명했다.

첨단 TC NCF 기술을 적용하면 HBM 적층 수가 증가하고 칩 두께가 얇아지면서 발생할 수 있는 '휘어짐 현상'을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

높은 성능을 발휘해야 하는 HBM 제품의 특성상 열 발산을 위해 칩 사이 필름의 균일한 도포가 필수적이다.

삼성전자는 NCF 소재 두께도 낮춰 업계 최소 칩간 간격인 7마이크로미터(um)를 구현했다. 이를 통해 수직 집적도가 HBM3 8H 대비 20% 이상 향상됐다.

특히 칩과 칩 사이를 접합하는 공정에서 신호 특성이 필요한 곳은 작은 범프(칩 사이를 전기적으로 연결하기 위해 형성한 전도성 돌기)를, 열 방출 특성이 필요한 곳에는 큰 범프를 목적에 맞게 사이즈를 맞춰 적용해 열 특성을 강화하는 동시에 수율도 극대화했다.

삼성전자는 NCF로 코팅하고 칩을 접합해 범프 사이즈를 다양하게 하면서 동시에 공극(Void) 없이 적층하는 기술력을 선보였다고 설명했다.

HBM3E 12H 제품을 사용할 경우 그래픽처리장치(GPU) 사용량이 줄어 기업들이 총 소유 비용(TCO)을 절감할 수 있다는 장점이 있다.

예를 들어 서버 시스템에 HBM3E 12H를 적용하면 HBM3 8H를 탑재할 때보다 AI 학습 훈련 속도를 평균 34% 향상할 수 있고, 추론의 경우에는 최대 11.5배 많은 AI 사용자 서비스가 가능하다고 삼성전자는 전했다.

AI 반도체 시장이 2030년까지 10배 이상 커질 것으로 예상되는 가운데 AI 서비스의 고도화로 데이터 처리량이 급증하며 고용량 솔루션의 니즈(요구)도 커지고 있다.

삼성전자는 올해 HBM 생산능력(캐파)을 작년 대비 2.5배 이상 확보해 운영하는 등 HBM 공급 역량을 업계 최고 수준으로 유지한다는 계획이다.

6세대 HBM인 HBM4도 2025년 샘플링과 2026년 양산을 목표로 개발이 순조롭게 진행 중이다.

삼성전자는 HBM4 16H 초고용량 제품에서 칩과 칩 사이 갭을 완전히 없애고, 칩을 완전히 붙이는 신공정을 개발하는 중이다.

배용철 삼성전자 메모리사업부 상품기획실장(부사장)은 "삼성전자는 AI 서비스를 제공하는 고객사의 고용량 솔루션 니즈에 부합하는 혁신 제품 개발에 힘쓰고 있다"며 "앞으로 HBM 고단 적층을 위한 기술 개발에 주력하는 등 고용량 HBM 시장을 선도하고 개척해 나갈 것"이라고 밝혔다.

윤세훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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