AMD는 2015년 중반에 출시할 차세대 GPU의 핵심 기술인 HBM(High Bandwidth Memory)에 대한 정보를 발표했습니다. 여기에선 AMD의 최고 기술 책임자인 Joe Macrri가 전화 회의에서 설명한 내용을 바탕으로 삼아, HBM이 무엇이고 어떤 장점이 있을지를 보도록 하겠습니다.

우선 HBM이 무엇인지를 설명하기 전에 왜 HBM이 필요한지를 보도록 합시다. 아래 그림 오른쪽에 있는 건 라데온 R9 290X의 레퍼런스 디자인에서 GPU와 GDDR5 메모리의 장착을 설명한 것인데요. R9 290X는 DRAM 칩 16장으로 4GB를 실현하기 위해 110x90mm의 공간이 필요합니다.

16개의 메모리 칩이 차지하는 면적이 클 뿐만 아니라, GDDR5 메모리 칩과 GPU 사이를 광대역 버스로 연결해야 하는지라 장착 면적에서 불리합니다. 또 메모리와 GPU 사이의 거리를 짧게 유지해야 하기에 신호 진폭을 크게 잡아야 하고 따라서 동작 전압의 향상과 소비 전력 증가를 불러오게 됩니다.

그래서 GDDR5 메모리가 GPU 성능 향상의 걸림돌이 된다는 게 AMD의 설명입니다. 특히 동작 전압을 낮추지 못하기에 소비 전력이 늘어나고, 이것은 성능을 높일 수 없는 억제 요인이 된다는 것이지요. 그 해결책으로 AMD가 제시하는 것이 HBM입니다.

HBM은 세로로 쌓은 메모리 칩을 광대역 메모리 버스로 프로세서와 접속하는 기술입니다. HBM은 다양한 패키지 방법이 있으며 아래에서 소개하는 방안은 어디까지나 AMD가 차세대 라데온 GPU에서 사용하는 방법이지, 모든 HBM이 다 이렇다는 건 아님을 알아 주세요.

위 그림은 AMD의 차세대 GPU에 들어가는 HBM입니다. GPU 패키지 모서리에 있는 주황색이 비디오 메모리 칩으로서, 메모리 인터페이스가 구현된 로직 다이 위에 메모리를 적층합니다. 로직 다이 아래에는 GPU와 메모리 사이를 연결하는 배선이 내장된 인터포저가 있습니다.

옆에서 보면 이렇습니다. 각각의 메모리 칩은 메모리 인터페이스를 수직 방향으로 연결하는 TSV(Through-Silicon Via)가 마이크로범프를 통해 연결됩니다. 이렇게 적층된 메모리 칩 아래에 로직 다이, 인터포저, 패키지 기판이 배치되는 구조입니다.

이렇게 보면 간단하지만 실제로는 복잡합니다. 자세한 내용이 소개되지 않았을 뿐이지요. 인터포저를 통해 프로세서와 메모리를 연결하고, 메모리 칩에 로직 다이가 있는 것으로 보아할 때, GPU와 메모리 사이는 전용 고속 버스로 연결되는 것으로 보입니다.

HBM 기술은 여러 회사의 협력으로 이루어졌습니다. LSI의 실장은 대만 Advanced Semiconductor Engineering(ASE), LSI의 검사는 미국 Amkor Technology, LSI의 제조는 대만 United Microelectronics Corporation(UMC), HBM의 메모리 칩은 한국의 SK 하이닉스에서 만들었습니다.

그럼 HBM을 쓰면 GDDR5에서 문제가 됐던 면적이 과연 얼마나 줄어들까요? 1GB의 메모리를 구현할 경우 GDDR5는 2Gbit 4장을 사용해 28x24mm가 되지만, HBM은 7x5mm으로도 실현할 수 있어 GDDR5의 5%에 불과합니다.

실제 기판을 차지하는 면적만 놓고 봐도 R9 290X와 비교하면 절반 정도로 줄어들게 됩니다. 즉 기존 제품과 메모리 용량이 같다면 그래픽카드의 크기는 더욱 작게 만들 수 있다는 것입니다.

성능에서도 큰 향상을 기대할 수 있습니다. HBM은 GPU와 비디오 메모리 칩 사이의 물리적인 거리가 짧아지기에 기존보다 더 낮은 전압으로도 구동이 가능해, 소비 전력을 줄이면서 대역폭을 높일 수 있게 됩니다.

HBM과 GDDR5의 스펙을 비교해 보면 GDDR5는 1개의 칩이 32비트지만 HBM은 1024비트입니다. 기존의 GDDR5 메모리에선 인터페이스가 기판 위에 버스를 배선해야 하니 버스 폭을 넓히는 데 한계가 있으나, HBM에선 그런 한계가 없습니다.

이렇게 버스 폭이 넓다보니 굳이 클럭을 높이지 않아도 넓은 대역폭을 실현할 수 있습니다. HBM은 GDDR5보다도 3.5배 더 넓은 대역폭을 실현할 수 있다네요. 낮은 클럭과 작동 전압 덕분에 전력 사용량이 낮은 것도 빼놓을 수 없습니다.

다만 이번 발표에서 AMD는 비디오 메모리의 용량을 언급하진 않았습니다. 위 그림에 나온대로 메모리 칩 4개로 1GB의 용량을 구성하고, 그러한 구성이 4개가 있다면 비디오 메모리 용량은 4GB가 되겠지요. 대역폭이 충분히 높다보니 용량을 그리 극단적으로 늘리진 않을 것으로 보입니다.

이러한 특징을 보아할 때 HBM은 성능과 소비 전력에서 매우 유리합니다. 다만 인터포저를 넣어야 하고 실장 방법이 복잡하다는 점을 보면 개발 비용이나 제조 단가는 기존보다 비쌀 것으로 보입니다. 따라서 보급형 제품에서 HBM을 볼려면 시간이 다소 걸릴 것으로 생각됩니다.