How HBM Works – 고대역폭 메모리 동작 원리 완전 해부

 

목차

1. HBM의 물리적 구성 요소

2. 데이터 전송 구조 및 병렬 처리

3. TSV(Through-Silicon Via)의 동작 원리

4. 인터포저와 SoS 간의 연결 방식

5. ECC(Error Correction Code)와 데이터 안정성

6. 전력 관리 구조의 효율성

7. 동작 흐름 요약 - How HBM Works in Real-Time

8. HBM 동작 구조의 미래 확장성

 

고대역폭 메모리(HBM)의 개요, HBM(High Bandwidth Memory)은 차세대 고성능 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 메모리 기술로, 기존 DRAM의 한계를 뛰어넘는 고속 데이터 처리 능력, 저전력 소비, 고집적 설계를 갖춘 혁신적인 설루션이다.
HBM은 GPU, AI 가속기, HPC 시스템, 클라우드 서버 등 대량의 데이터를 빠르게 처리해야 하는 환경에서 필수적으로 채택되고 있다.

 

HBM Works

 

기존의 GDDR, DDR 메모리 기술은 수평 배치 구조와 상대적으로 좁은 인터페이스 폭을 기반으로 하며, 이를 통해 연산 장치와 데이터를 주고받는다.

반면, HBM은 수직 적층 구조와 TSV(Through-Silicon Via)를 활용하여 기존 메모리와는 완전히 다른 동작 메커니즘을 갖는다.

1. HBM의 물리적 구성 요소

HBM의 동작을 이해하기 위해서는 먼저 구성 요소를 정확히 파악해야 한다. HBM은 다음과 같은 주요 요소로 구성되어 있다:

• DRAM 다이(DRAM Die): 데이터를 저장하는 메모리 셀 집합. 여러 개의 DRAM 다이가 수직으로 적층 된다.
• TSV (Through-Silicon Via): 실리콘 다이를 수직으로 관통하는 마이크로 배선. 데이터와 전력이 다이 간에 빠르게 전달된다.
• 베이스 다이(Base Die): DRAM 스택의 하단에 위치하며, 주소 해석과 버퍼링 기능을 수행하는 컨트롤러 역할을 담당.
• 인터포저(Interposer): SoC(GPU/CPU 등)와 DRAM 스택을 연결하는 고밀도 배선 기판. 2.5D 패키징 기술이 적용된다.
• HBM PHY 및 컨트롤러: 물리 계층(Physical Layer) 및 논리 제어 계층으로, 메모리의 입출력을 동기화하고 오류를 제어한다.

이러한 구성 요소들이 결합되어, HBM은 짧은 거리에서 수천 개의 신호 라인을 병렬로 전달할 수 있으며, 이는 메모리 병목 현상을 크게 줄이는 데 기여한다.

 

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2. 데이터 전송 구조 및 병렬 처리

HBM은 일반적으로 1024bit 이상의 인터페이스 폭을 제공하며, 이는 GDDR6의 256bit에 비해 4배 이상 넓다.
HBM은 전체 버스를 여러 개의 채널로 나누고, 각 채널은 독립적으로 데이터 전송을 수행한다.

예를 들어 HBM2의 경우 8개의 채널, HBM3의 경우 최대 16개의 채널이 사용된다.
각 채널은 128bit의 버스를 갖고 있으며, 동시에 병렬로 작동해 데이터 처리 속도를 극대화한다.

• Burst Length: 채널당 한 번에 전송하는 데이터 블록의 크기
• Bank Group: 병렬 접근이 가능한 메모리 뱅크 그룹
• Command Bus & Address Bus: 데이터를 요청하고 위치를 지정하는 명령 신호

HBM의 병렬 처리 구조는 AI 연산, 그래픽 렌더링, 과학 시뮬레이션 등에서 데이터 병목 없이 코어와 메모리 간 실시간 통신을 가능하게 만든다.

3. TSV(Through-Silicon Via)의 동작 원리

HBM이 기존 DRAM과 구조적으로 다른 가장 큰 이유는 바로 TSV 기술의 활용에 있다.
TSV는 실리콘 웨이퍼에 미세한 구멍을 뚫고, 그 안에 금속을 채워 상하 다이 간의 수직 전기적 연결을 형성한다.

• 신호 전송 거리 단축: 수십 마이크로미터 내외의 짧은 거리로 인해 신호 감쇠가 적음
• 고속 동작 가능: 저전압, 고속 신호 전송이 가능
• 집적도 향상: 수직 공간을 활용함으로써 면적당 용량 증가
• 발열 관리 효율: 수직 적층임에도 발열 경로 최적화 설계로 냉각 효율 확보

TSV는 HBM의 핵심 기술로, 데이터 전송 효율을 높이고 메모리 반응 속도를 획기적으로 개선하는 데 기여한다.

 

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4. 인터포저와 SoC 간의 연결 방식

HBM은 2.5D 패키징을 통해 SoC(GPU, CPU 등)와 직접 연결된다.
인터포저는 실리콘 또는 유기 기판으로 구성되어 있으며, 매우 미세한 피치를 갖는 고밀도 배선을 통해 SoC와 DRAM 스택 간의 통신을 담당한다.

• 높은 신호 정합성(Signal Integrity): 고속 신호의 정확한 전달 보장
• 전력 라인 및 클럭 라인 통합: 전체 회로의 간소화
• 레이턴시 최소화: SoC와 메모리 간의 거리 최소화
• 패키지 설계 유연성: 다이 투 다이 연결 구성 최적화 가능

이 방식은 기존 메모리 슬롯(DIMM 등)을 사용하는 DDR, GDDR 계열과 비교할 때 물리적 제약 없이 고속 통신 구현이 가능하다는 점에서 구조적 우위를 가진다.

 

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5. ECC(Error Correction Code)와 데이터 안정성

HBM3부터는 온라이 ECC 기능이 통합되어, 데이터 오류 발생 시 자체적으로 수정이 가능하다.

• 싱글 비트 오류 정정
• 멀티 비트 오류 검출 및 리포트
• 실시간 오류 보정 기능 내장

이는 AI 모델 학습, 고정밀 시뮬레이션, 금융 연산 등 데이터 무결성이 중요한 환경에서 매우 중요한 기능이며, 시스템의 전반적인 안정성과 신뢰성을 크게 향상한다.

6. 전력 관리 구조와 효율성

HBM은 고속 메모리임에도 낮은 전력 소비 특성을 가진다.
기본 작동 전압이 1.2V(HBM2 기준)에서 1.1V 이하(HBM3 기준)로 감소하며, 짧은 전송 거리와 낮은 클럭 주파수를 통해 전력 소모를 줄인다.

• 전력당 대역폭 비율(Watt/GB/s)이 GDDR6보다 2배 이상 우수
• AI 서버 및 클라우드 환경에서 냉각비용 감소
• 서버 밀도 증가 가능 (동일 소비전력에 더 많은 GPU 탑재)

이러한 전력 효율성은 에너지 비용 절감과 친환경 시스템 구축이라는 두 가지 측면에서 중요한 가치를 갖는다.

 

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7. 동작 흐름 요약 – How HBM Works in Real-Time

1. SoC(GPU/CPU)가 연산에 필요한 데이터를 요청
2. HBM PHY가 명령어를 수신하고, 메모리 주소를 디코딩
3. 해당 데이터가 저장된 DRAM 스택 내 채널이 활성화
4. TSV를 통해 상하 다이 간 데이터 이동
5. 인터포저를 통해 데이터가 SoC로 고속 전달
6. 오류 발생 시, 온라이 ECC가 실시간 수정 처리
7. 클럭 및 전력은 전체 스택에 균등하게 공급되어 안정적인 동작 유지

이러한 흐름을 통해 HBM은 초당 수 테라바이트(TB)의 데이터 전송을 가능하게 하며, 병목 없는 연산 환경을 제공한다.

8. HBM 동작 구조의 미래 확장성

HBM의 동작 원리는 현재도 진화 중이며, 미래에는 다음과 같은 방향으로 확대될 전망이다:

• HBM3 E: 전송속도 8 Gbps 이상, 대역폭 1.2TB/s 이상
• HBM4: 스택당 24단 이상, 인터페이스 개선 예정
• HBM-PIM(Processing-In-Memory): 메모리 자체에 연산 코어를 내장해 데이터 이동 없이 직접 연산 수행
• HBM+광인터페이스 결합: SoC~메모리 간 광통신을 통한 속도 극대화 연구 진행 중

HBM은 단순한 메모리 기술이 아닌, 시스템 아키텍처의 중심으로 발전하고 있는 메모리-컴퓨팅 통합 설루션이다.

 

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결론

HBM, 구조부터 동작까지 이해해야 할 미래 메모리, HBM은 메모리 기술의 진화를 넘어 연산 패러다임 자체를 변화시키는 기술이다.
수직 적층, TSV, 인터포저, 병렬 인터페이스, ECC 내장, 전력 최적화 등 모든 설계 요소가 통합적으로 작동하면서 고속, 저전력, 고신뢰성이라는 핵심 가치를 실현한다.

앞으로 AI, 자율주행, 메타버스, 생명공학, 우주산업까지 다양한 영역에서 HBM 기반 시스템이 도입될 것이며, 이를 정확히 이해하는 것이 곧 미래 컴퓨팅 환경을 이해하는 열쇠가 될 것이다.