How to Design with HBM – PCB와 HBM 인터페이스 설계 가이드

 

목차

1. HBM의 물리적 구성 이해

2. PCB 설계 핵심 포인트

3. HBM 전용 인터포저 및 패키징 고려사항

4. 열 설계(Thermal Design)와 방열 설루션

5. EMC(전자파 적합성) 및 ENI 대책

6. 설계 도구 및 시뮬레이션

 

고대역폭 메모리 시대, PCB 설계는 달라져야 한다.

HBM(High Bandwidth Memory)은 초고속 AI 연산, 고성능 GPU, 서버용 SoC 등에 필수적으로 탑재되는 메모리로, 기존 DRAM 기반의 시스템과는 설계 철학 자체가 다르다.
특히 HBM과 GPU/AI 칩 사이의 인터페이스 설계, 그리고 이를 연결하는 PCB(Printed Circuit Board) 레이아웃은 고속 신호, 저전력, 고 집적도의 세 가지 조건을 동시에 만족해야 한다.

 

Design with HBM

 

이 글에서는 HBM 기반 시스템을 설계할 때 필수적으로 고려해야 할 PCB 설계 전략, 인터페이스 설계 가이드라인, 전원 및 신호 무결성 처리, EMI/열 설계 고려사항 등을 종합적으로 정리한다.

1. HBM의 물리적 구성 이해

TSV 기반 수직 적층 메모리

HBM은 TSV(Through-Silicon Via) 구조로 DRAM 다이를 수직 적층하여 인터포저(Interposer) 또는 고급 패키징을 통해 연산 칩과 연결된다.
보통 4단~16단의 DRAM die가 쌓여 있으며, 수천 개의 I/O를 통해 병렬적이고 고속의 데이터 처리가 가능하다.

HBM 인터페이스 특징

• I/O 핀 수: 최대 1024~2048개
• 데이터 속도: 6.4 Gbps~12 Gbps (HBM3 기준)
• 병렬 버스 구조 → 설계 복잡도 상승
• 높은 대역폭(1.2~2.0TB/s)
• 낮은 전압(VDD ≈ 1.2V), 고전류 구동

 

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2. PCB 설계 핵심 포인트

1. HBM ↔ SoC 인터커넥트 구성

HBM은 연산 칩과 실리콘 인터포저나 디렉트-본드 인터페이스를 통해 연결된다.
인터커넥션 경로는 매우 짧고 조밀하기 때문에, PCB에서의 라우팅은 주로 전원, 제어, 보조 인터페이스에 국한되지만, 이 영역에서도 정밀 설계가 필요하다.

• BGA 인터페이스 규격 준수
• 레이어 수 최소 12~16층 이상
• HBM die 아래 Ball Grid Array(BGA) 패드 구조 최적화 필요
• 피치 간격 매우 좁음 (40~55um 수준)

2. 전원 무결성(Power Integrity, PI)

• HBM은 고속 I/O 동작 시 순간적인 전류 변화가 크기 때문에,
  PDN(Power Distribution Network) 설계가 핵심
• Decoupling Capacitor를 메모리 인접부에 고밀도로 배치
• PDN impedance는 전체 주파수 대역에서 5mΩ 이하 유지 권장

3. 신호 무결성(Signal Integrity, SI)

• 수백~수천 개의 병렬 I/O는 반사, 크로스토크, 지터에 매우 민감
• 라우팅은 길이 매칭(length matching)과 임피던스 제어(typically 50Ω)를 필수적으로 적용
• Via 수 최소화, 차동 신호 간 동일 경로 유지
• 타이밍 스큐 10ps 이하로 제한해야 동기화 오류 방지

 

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3. HBM 전용 인터포저 및 패키징 고려사항

1. CoWoS, SoIC 기반 설계

• TSMC의 CoWoS 또는 Samsung의 I-Cube 같은 고급 패키징은
  HBM과 SoC를 동일 패키지에 수직 통합
• PCB와의 인터페이스는 주로 전원, 클럭, 시스템 레벨 인터페이스

2. 실리콘 인터포저 레이아웃

• 실리콘 인터포저는 버퍼 역할을 하며,
  고속 신호 간섭을 줄이기 위해 ground shielding layer 삽입 필요
• Power island 방식 사용 시, 각 die 별 PDN 분리 설계 고려

 

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4. 열 설계(Thermal Design)와 방열 설루션

HBM은 높은 I/O 밀도와 적층 구조 특성상 열 집중 발생 위험이 크다.
따라서 PCB 차원에서의 열 분산 설계가 필수적이다.

• Copper slug 삽입을 통한 기판 내 방열
• 구리 적층 레이어 활용 (2oz 이상 권장)
• HBM 상단 히트 스프레더와 PCB 간 접촉 면적 극대화
• PCB 소재는 저손실 및 고열전도율 재질(FR408 HR, Megtron) 권장

5. EMC(전자파 적합성) 및 EMI 대책

HBM은 수백 GHz 이상의 주파수 대역에서 동작하므로,
EMI 방지와 신호 간섭 차단을 위한 설계가 매우 중요하다.

• I/O 라인 주변 GND Stitching Via 고밀도 배치
• 신호층 간 간섭 차단용 GND Plane 독립 설계
• Power/GND Layer는 중첩 구조로 디커플링 강화
• Clock line에는 Guard trace 및 다중 필터링 네트워크 추가

 

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6. 설계 도구 및 시뮬레이션

1. PCB 설계 툴

• Cadence Allegro, Mentor Xpedition, Altium Designer 등
  고속 신호 설계 지원 가능 툴 활용
• I/O Length Matching 자동화 기능 필수
• Stackup Manager 및 Crosstalk Analyzer 내장 여부 확인

2. 시뮬레이션 툴

• SI/PI 해석: Sigrity, Ansys SIwave
• 열 해석: FloTHERM, IcePak
• IBIS-AMI 모델 기반 HBM 신호 검증
• 3D EM 시뮬레이션을 통한 인터포저 구조 분석

 

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결론

고성능 시대, HBM 설계가 좌우한다.

HBM은 단순한 메모리 스펙 상승이 아니라,
시스템 전반의 설계 복잡성과 전력, 신호, 열 관리의 융합적 고려를 요구하는 기술이다.

PCB 설계자는 HBM의 물리적·전기적 특성을 이해하고,
고속 신호 설계, PDN 구조, 인터포저와의 통합, 열 설계, EMI/EMC 대책까지 총체적인 접근이 필수다.

향후 HBM4, HBM-PIM, UCIe 등과의 통합 설계가 확산되면서
고성능 PCB 설계에 대한 전문성은 반도체 산업 내에서 핵심 경쟁력이 될 것이다.