HBM: 고대역폭 메모리의 개념, 활용, 그리고 미래 전망

이번 시간에는 HBM(고대역폭 메모리)의 개념에서부터 향후 전망에 이르기까지 주요 핵심적인 내용을 알아보고자 하는데요. HBM은 컴퓨터 메모리 시장에서의 중요한 혁신 중 하나로, 고속 데이터 처리와 대역폭 향상이 중요한 현대 기술 환경에서 핵심적인 역할을 하고 있습니다.  특히 고성능 컴퓨팅, AI, 머신러닝, 자율주행차, 5G 네트워크 등에서 요구되는 고속 데이터 처리와 높은 대역폭을 지원하기 때문에  최신 AI 기술과 대규모 데이터 처리의 발전으로 HBM의 중요성이 더욱 부각되고 있습니다. 한국 메모리 반도체 기업인 삼성전자, SK하이닉스는 세계 HBM시장에서 선두를 유지하고 있죠. 그럼 좀더 자세히 알아볼까요.

 

HBM메모리기술(출처 : https://news.nate.com/)

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1. HBM 개념 및 원리

"HBM(High Bandwidth Memory)"는 고대역폭 메모리로, 높은 데이터 전송 속도를 자랑하는 메모리 기술입니다. 일반적인 메모리(DRAM)와 달리, HBM은 여러 층의 메모리 다이(die)를 수직으로 쌓아 올려 데이터를 동시에 처리할 수 있는 방식으로 작동합니다. 이를 통해 높은 대역폭을 제공하며, 데이터 전송 속도와 효율성을 극대화할 수 있습니다. 

 HBM은 3D 적층 기술을 통해 고속 데이터 전송과 대역폭을 제공하는 기술로, 주로 고성능 컴퓨팅이나 AI와 같은 분야에서 사용됩니다. 반면, DDR이나 GDDR은 상대적으로 더 낮은 대역폭을 가진 메모리 기술로, 일반 컴퓨터나 그래픽 카드에서 많이 사용됩니다.

HBM의 핵심 원리는 3D 적층 기술입니다. 여러 개의 DRAM 다이를 수직으로 쌓고, 이를 서로 연결하여 전통적인 메모리 기술보다 훨씬 더 빠른 속도로 데이터를 처리할 수 있습니다. 이를 통해 고성능 컴퓨팅 환경에서 요구되는 높은 처리 성능을 지원할 수 있습니다. 또한, HBM은 더 적은 전력을 소비하면서도 높은 성능을 발휘할 수 있는 장점이 있습니다.

 

2. HBM 기술 발전과정

HBM은 AMD와 SK hynix가 주도하여 개발한 기술로, 처음에는 고성능 그래픽 카드와 고급 서버 환경에서 필요로 하는 고속 메모리 솔루션을 해결하기 위해 등장했습니다. HBM은 기존의 DRAM 기술의 한계를 극복하기 위한 시도로, 메모리 대역폭 부족 문제를 해결하고, 더 빠른 데이터 전송을 요구하는 컴퓨팅 환경에서 필수적인 요소로 자리 잡았습니다.

AMD는 2015년에 Fiji GPU에서 HBM을 최초로 상용화했고, SK hynix는 HBM2를 통해 성능을 더욱 향상시켰습니다. 이후, HBM 기술은 그래픽 처리 장치(GPU), 고성능 컴퓨팅(HPC), 인공지능(AI) 분야 등에서 활발하게 사용되고 있습니다.

• 3D 적층 기술: HBM은 여러 층의 메모리 다이를 수직으로 쌓아서 높은 대역폭을 제공하는 3D 스택형 기술을 채택했습니다. 이 기술은 메모리 용량과 대역폭을 크게 개선하고, 기존의 2D 방식보다 효율적인 데이터 전송을 가능하게 합니다.
• 대역폭 향상: HBM1은 128GB/s, HBM2는 최대 256GB/s, HBM2E는 그 이상의 성능을 제공하며, HBM3는 800GB/s 이상의 대역폭을 제공할 것으로 예상되고 있습니다.
• 산업 확산: HBM 기술은 GPU, AI, 머신러닝, 데이터 센터, 고성능 컴퓨팅(HPC) 등 다양한 분야에서 점차 사용되고 있으며, 앞으로도 지속적으로 시장에서 중요한 역할을 할 것입니다.

연도	개발 현황
2011년	HBM 개념 제시: AMD와 SK hynix가 HBM 기술의 개념을 처음 제시. 3D 스택형 메모리 구조로 DRAM 다이를 수직으로 쌓아 대역폭을 크게 향상시키는 아이디어가 등장.
2013년	HBM1 개발 시작: JEDEC(전자기기표준기술협회)가 HBM 기술의 공식 표준화를 시작. SK hynix가 HBM1 메모리 개발을 발표.
2015년	HBM1 상용화: AMD의 Fiji GPU(Radeon R9 Fury 시리즈)에서 HBM1이 상용화되어 사용되기 시작. HBM1은 최대 128GB/s의 대역폭을 제공하며, 기존 DRAM보다 월등한 성능을 자랑.
2016년	HBM2 개발 및 출시: SK hynix가 HBM2를 출시, AMD와 NVIDIA의 고급 그래픽 카드에서 HBM2를 사용하기 시작. HBM2는 최대 256GB/s 대역폭을 제공하며, 이전 HBM1보다 성능 향상.
2017년	HBM2E 출시: SK hynix가 HBM2E를 발표, HBM2의 성능을 더욱 향상시킨 버전으로, 데이터 전송 속도와 대역폭이 개선됨. HBM2E는 주로 AI와 머신러닝에 사용됨.
2018년	HBM2 상용화 확산: NVIDIA의 Tesla V100과 AMD의 Radeon VII 등에서 HBM2 메모리를 채택하여 고성능 컴퓨팅과 AI, 데이터 센터에 활용.
2020년	HBM3 개발 시작: SK hynix와 Micron이 HBM3 개발에 착수. HBM3는 이전 버전보다 더 높은 데이터 전송 속도와 대역폭을 제공할 것으로 예상됨.
2021년	HBM3 기술 진전: SK hynix와 Micron이 HBM3 메모리 기술의 상용화를 준비하며, HBM3는 최대 800GB/s 이상의 대역폭을 제공할 예정으로 주목받음.
2023년	HBM3 상용화 시작: SK hynix가 HBM3의 양산을 시작하고, NVIDIA와 AMD의 고성능 GPU에 사용될 예정. HBM3는 AI, 머신러닝, 고성능 서버에서 중요한 역할을 할 것으로 예상됨.

 

 

3. HBM 종류 및 개발 업체

최근 HBM 시장에서 SK hynix는 시장의 60% 이상을 차지하며, 삼성전자와 Micron이 각각 20%~25%, 10%~15% 정도의 점유율을 기록하고 있습니다. HBM 기술은 고성능 컴퓨팅, AI, 게임, 데이터 센터 등 다양한 분야에서의 수요 증가로 인해 시장 점유율이 더욱 확대될 것으로 예상됩니다.

 

• SK hynix는 HBM1, HBM2, HBM2E 기술을 포함한 고대역폭 메모리 시장에서 가장 큰 점유율을 보유하고 있으며, 특히 HBM2E 제품을 대규모로 생산하고 있습니다. 주로 GPU, AI, 데이터 센터에 사용되는 HBM 제품을 공급합니다.
• 삼성전자는 HBM2E와 HBM3 제품을 주로 생산하며, AI, 고성능 서버, 클라우드 컴퓨팅에서 중요한 역할을 합니다. 삼성전자는 최신 HBM3 기술을 통해 시장에서 경쟁력을 강화하고 있습니다.
• Micron은 HBM2E 제품을 생산하며, 데이터 센터와 고성능 컴퓨팅(HPC) 분야에서 주요 고객에게 공급하고 있습니다. Micron은 미국과 아시아 지역에서 활발히 생산하고 있습니다.
• Nvidia와 AMD는 HBM을 직접 제조하지 않지만, 타사에서 공급받아 자사의 GPU 및 AI 시스템에 사용합니다. Nvidia는 HBM2 기술을 주로 사용하고 있으며, AMD는 HBM2, HBM2E를 사용하여 자사의 그래픽 카드와 고성능 컴퓨팅 장비에 통합하고 있습니다.

 

종류	설명	활용분야	개발회사
HBM1	초기 HBM 기술, 1GB/다이, 최대 128GB/s의 대역폭 제공	고성능 그래픽 카드, 서버, 슈퍼컴퓨터, 3D 그래픽 및 영상 처리	AMD, SK hynix
HBM2	HBM1보다 향상된 성능, 4GB/다이, 최대 256GB/s의 대역폭 제공	AI/ML, 고성능 컴퓨팅(HPC), 자율주행차, 고급 게임, 서버, 5G 통신	AMD, SK hynix, Micron, Samsung
HBM2E	HBM2의 향상된 버전, 8GB/다이, 최대 460GB/s의 대역폭 제공	AI/ML, 데이터 센터, 슈퍼컴퓨터, 클라우드 컴퓨팅, 고급 그래픽 작업 및 대규모 데이터 분석	SK hynix, Micron, Samsung
HBM3	최신 HBM 기술, 16GB/다이 이상, 최대 800GB/s의 대역폭 제공	차세대 데이터 센터, 고성능 AI, 머신러닝, 빅데이터 처리, 차세대 GPU 및 CPU	SK hynix, Micron, Samsung

 

4. HBM 세계 시장 점유율

2023년 기준 HBM(고대역폭 메모리) 시장에 대한 정보를 바탕으로 주요 제조사들의 점유율, HBM 종류, 공장 위치 및 생산량을 표로 정리한 내용은 다음과 같습니다. 다만, 일부 세부 사항은 기업의 내부 데이터와 리포트에 따라 공개되지 않거나 정확한 수치를 확인하기 어려운 경우가 많습니다. 이 표는 대략적인 추정치를 기준으로 작성한 것입니다.

제조사	HBM종류	점유율	공장위치	주요제품
SK hynix	HBM1, HBM2, HBM2E	약 60%	대한민국, 중국, 미국, 일본	HBM2, HBM2E (주로 GPU, AI, 데이터 센터용)
삼성전자	HBM2, HBM2E, HBM3	약 20%~25%	대한민국, 중국, 미국	HBM2E, HBM3 (주로 AI, 고성능 서버, 클라우드)
Micron	HBM2, HBM2E	약 10%~15%	미국, 싱가포르, 대만	HBM2E (주로 데이터 센터 및 고성능 컴퓨팅)
Nvidia	HBM2 (자체 제조 아님, 타사 공급)	약 5%	미국, 글로벌 생산 파트너와 협력	GPU, AI 시스템용 HBM (타사에서 공급)
AMD	HBM2, HBM2E	약 5%	미국, 글로벌 파트너와 협력	GPU, 고성능 컴퓨팅 (자체 설계)

 

4. HBM 활용 예시

• 고성능 그래픽 카드: HBM은 고속 데이터 전송이 필요한 그래픽 처리 장치(GPU)에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, AMD의 Radeon Fury X는 HBM1을 사용하여 4K 게임 성능과 VR 환경에서 탁월한 그래픽 성능을 제공합니다.
• AI 및 머신러닝: HBM은 고속 데이터 처리 능력을 요구하는 AI 및 머신러닝 작업에서 필수적인 메모리입니다. NVIDIA의 A100 Tensor Core GPU는 HBM2를 사용하여 인공지능 학습을 빠르게 처리할 수 있습니다.
• 고성능 컴퓨팅(HPC): HBM은 대규모 데이터 분석 및 과학적 시뮬레이션을 지원하는 고성능 컴퓨터에서 활용됩니다. 예를 들어, 슈퍼컴퓨터에서는 HBM2E를 통해 대규모 연산을 빠르게 처리할 수 있습니다.
• 데이터 센터 및 클라우드: HBM은 대량의 데이터를 처리하는 클라우드 컴퓨팅 환경에서도 중요합니다. 고성능 서버는 HBM2를 통해 대규모 데이터를 빠르게 전송하고 처리합니다.

 

5. HBM 향후 전망

HBM 기술의 미래는 더욱 밝습니다. HBM3가 상용화되면서, 데이터 전송 대역폭은 800GB/s에 달할 것으로 예상됩니다. 이는 차세대 인공지능, 머신러닝, 5G 네트워크, 자율주행차 등에서 요구하는 막대한 데이터 처리 요구를 충족시키는 데 필수적입니다. 특히, 데이터 센터와 클라우드 컴퓨팅에서 HBM의 사용은 급격히 증가할 것으로 보이며, HBM3의 도입은 고성능 컴퓨팅 환경에서 더욱 중요한 역할을 하게 될 것입니다.

또한, HBM은 AI와 빅데이터 분석 분야에서 큰 성장을 이루고 있습니다. 현재의 AI 기술이 더욱 발전하면서, 이를 지원할 수 있는 메모리 솔루션으로 HBM의 수요는 계속해서 증가할 것으로 예상됩니다. 또한, 게임 산업과 고급 그래픽 작업에서도 HBM의 사용은 계속 확장될 것입니다.

 

 

HBM(고대역폭 메모리)은 고성능 컴퓨팅 환경에서 필수적인 기술로 자리 잡고 있으며, 그 발전은 데이터 전송의 속도와 효율성을 크게 향상시키고 있습니다. 다양한 분야에서 빠르게 채택되고 있는 HBM 기술은 향후 AI, 머신러닝, 데이터 센터 등에서 더욱 중요한 역할을 할 것입니다. 기술이 발전함에 따라, HBM은 차세대 컴퓨팅 기술의 핵심적인 요소로 자리매김할 것입니다.