삼성전자, HBM ‘회심의 카드’ 뽑았다… 최초 최대용량 12단 HBM 개발

삼성전자 12단 적층의 HBM3E 32GB./삼성전자

삼성전자가 '5세대 HBM'에서 업계에 가장 먼저 고용량의 제품 개발에 성공하면서 회심의 카드를 뽑았다.

인공지능(AI) 시대를 타고 떠오른 HBM은 메모리 업계 간에 기술 전쟁이 벌어지고 있는 분야다. 여러 개의 D램을 수직으로 쌓아 성능을 높인 HBM은 적층 수를 증가시키면서도, 칩 두께를 얇게 유지해야 하는 것이 기술적 과제다. 고용량의 데이터 처리 수요가 높아질 수록 높은 적층의 HBM의 필요성도 높아진다. 이 한계를 극복하기 위해 메모리반도체 기업들 연구에 뛰어들고 있다.

앞서 최초 타이틀의 기회를 몇 번 놓쳤던 삼성전자는 이번 12단 적층의 HBM3E을 최초로 상용화해 업계를 선도하고자 한다.

27일 삼성전자는 업계 최초로 12단 적층에서 최대 용량인 36기가바이트(GB) HBM3E 개발에 성공했다고 밝혔다. 이 칩은 성능과 용량 모두 전작 대비 50% 개선됐다. 초당 최대 10Gb의 속도를 내며, 초당 처리할 수 있는 규모가 1280GB나 된다. 이는 1초에 30GB 용량의 UHD 영화 40여편을 받을 수 있는 속도다.

이러한 성능 개선은 칩을 채용하는 기업들에 전보다 그래픽처리장치(GPU) 사용량을 줄여 주고, 총 소유 비용(TCO)을 절감시킬 수 있는 효과를 준다. 예를 들어 서버 시스템에 이 칩을 적용하면 전작보다 AI 학습 훈련 속도가 평균 34% 향상된다. 추론의 경우 최대 11.5배 많은 AI 사용자 서비스가 가능하다. 삼성전자는 샘플을 고객사에게 제공하기 시작했으며 상반기 양산할 예정이다.

삼성전자는 이 칩에서 24Gb(기가비트) D램을 실리콘 관통 전극(TSV) 기술로 12단까지 쌓아올리면서 업계 최대 용량을 구현한 성과를 냈다. HBM은 수직적으로 D램 칩을 쌓고 TSV를 통해 연결하는 구조인데, D램을 많이 쌓으면서도 전체 칩 의 두께는 유지하고, 쌓을 수록 무거워지는 무게로 발생하는 휘어짐 현상을 극복해야 하는게 기술적 과제다.

삼성전자는 독자 기술 '열압착 비전도성 접착 필름(Advanced TC NCF)'로 이 한계를 극복했다는 설명이다. 회사는 NFC 기술로 12단 제품을 8단 제품과 동일한 높이로 구현했다. 적층 수는 증가했지만, 층 마다 칩 두께는 얇아진 것이다. NCF 소재 두께도 지속적으로 낮춤으로써 업계 최소 칩간 간격인 '7마이크로미터(um)'를 구현했다. 이를 통해 전작 대비 20% 이상 향상된 수직 집적도를 실현했다.

삼성전자는 NCF 기술력이 12단 제품에서 경쟁력이 더 빛을 발할 것으로 자신한다. 삼성전자 관계자는 "NCF 기술은 칩 전면을 열과 하중을 인가해 본딩하는 방식이기 때문에 칩의 휘어짐을 상대적으로 용이하게 제어할 수 있다"고 강조했다.

삼성전자의 NCF기술은 필름을 사용해 갭을 채우기 때문에 근본적으로 갭 내 공극(void)가 없고, 칩과 칩사이를 접합하는 공정에서 목적에 맞게 다양한 사이즈를 적용했다. 크기가 다른 범프 적용을 통해 열 특성을 강화하는 동시에 수율도 극대화했다.

삼성전자는 이 칩의 상반기 양산에 이어 안정적인 양산 체계를 갖추어 나갈 계획이다. 그리고 차세대인 6세대 HBM도 내년 샘플링과 2026년 양산 목표로 개발하고 있다. 6세대 HBM부터는 고객 맞춤형에 대한 대응이 증가할 것으로 보고, 표준 제품뿐만 아니라 선단 로직칩을 추가해 고객별로 최적화된 '커스텀 HBM' 제품을 만든다는 계획이다.

두께 제약이 가장 큰 과제인 HBM에서 삼성전자는 16단으로 쌓아올린 초고용량 6세대 HBM에서도 칩과 칩 사이 갭을 완전히 없애고, 칩을 완전히 붙이는 신공정을 개발하고 있다. 배용철 삼성전자 메모리사업부 상품기획실장 부사장은 "앞으로 HBM 고단 적층을 위한 기술 개발에 주력하는 등 고용량 HBM 시장을 선도하고 개척해 나갈 것"이라고 밝혔다.