HBM4 & Logic-On-Memory Stacking

개요

HBM4(High Bandwidth Memory 4)는 차세대 고대역폭 메모리로, 초고속 연산 성능이 요구되는 AI, HPC, 그래픽 환경을 위해 설계되었습니다. 여기에 Logic-on-Memory Stacking 기술을 접목하면, 로직 다이(Processor, Controller)를 메모리 스택 위에 수직 적층함으로써 데이터 병목을 줄이고, 면적 효율성과 전력 효율을 동시에 극대화할 수 있습니다.

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1. 개념 및 정의

항목	설명
HBM4	JEDEC 기반의 4세대 고대역폭 메모리 표준
Logic-on-Memory	로직 회로를 메모리 위에 직접 적층하는 구조
주요 목적	대역폭 확대, 응답 지연 최소화, 패키지 집적도 향상

이 조합은 AI/ML 추론과 훈련, 고속 시뮬레이션, 엣지 서버 등에서 핵심적인 구조로 떠오르고 있습니다.

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2. 특징

특징	설명	기대 효과
수직 적층 구조	Logic + HBM을 하나의 수직 블록으로 통합	통신 거리 단축, 패키지 면적 절감
초고대역폭 지원	1TB/s 이상 대역폭 지원	AI 학습 속도 향상
낮은 전력 지연	TSV, 마이크로 범프 기반 인터커넥트	전력 효율 향상 및 발열 감소
칩렛 기반 설계 가능	Chiplet SoC 구조와 호환	다양한 연산 블록 통합 가능

HBM4는 기존 HBM3 대비 메모리 스택 수(12-16개), 데이터 I/O 수, ECC 안정성 등에서 발전했습니다.

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3. 구성 요소 및 구조

구성 요소	설명	역할
HBM4 Memory Die	고속 DRAM 다이 스택	데이터 저장 및 버퍼 기능
Logic Die	연산 및 제어 회로 내장	메모리 컨트롤러, AI 가속기 등 포함 가능
Processor Layer	AI SoC 또는 CPU 다이	최상단 위치에서 직접 연산 수행
Microbumps	로직과 메모리 간 연결	저지연 수직 데이터 통신 구현
Interposer	패키지 기반 전기적 연결	전력, 신호 라우팅 역할 수행

구조적으로는 메모리-로직-프로세서가 위로 적층되고, 하부는 인터포저와 메인보드에 연결됩니다.

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4. 기술 요소

기술 요소	설명	활용 기술
Through-Silicon Via (TSV)	수직 전기 연결 통로	HBM 다이 및 로직 간 연결
Hybrid Bonding	다이 간 화학적 접합	미세 패턴 간 고정밀 연결
RDL (Redistribution Layer)	전기 신호 재분배 구조	IO 배치 유연화 및 Fan-out 확장
Logic-In-Memory (LIM)	일부 연산 회로를 DRAM 내부 삽입	데이터 이동 최소화, 전력 효율 ↑

이러한 기술 조합은 AI 칩, 그래픽 가속기(GPU), LLM 전용 하드웨어에 최적입니다.

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5. 장점 및 이점

장점	설명	기대 효과
대역폭 극대화	병렬 I/O 채널 확장 및 수직 통신	초대형 AI 모델 학습 시간 단축
집적도 향상	동일 면적 대비 더 많은 회로 배치	시스템 소형화 가능
전력 효율 증대	거리 감소로 전력 소모 감소	발열 억제, 냉각 비용 절감
모듈화 가능	Chiplet 형태로 구조 구성 가능	설계 유연성 향상 및 공급망 다변화

특히 LLM 처리용 AI 가속기에서는 HBM4 수직 적층 구조가 기존 DDR4 기반 구조 대비 5~10배 이상의 처리량을 실현합니다.

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6. 활용 사례 및 고려사항

분야	활용 예	고려사항
AI 가속기	NVIDIA H100, AMD MI300 등	고발열 설계 대비 필요
데이터센터	LLM 추론 및 훈련 서버	냉각 및 패키지 신뢰성 확보 중요
HPC 시스템	시뮬레이션, 금융 모델링 등	수명 및 재배치 고려 필요
엣지 고속 컴퓨팅	제한된 공간에서 높은 연산 요구 대응	전력관리 IC와 연동 필수

도입 시 전력, 열, 신뢰성, 공정 단가 등을 종합적으로 검토해야 합니다.

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7. 결론

HBM4와 Logic-on-Memory Stacking은 메모리와 연산의 경계를 허무는 새로운 시스템 설계 패러다임입니다. 초고속, 저지연, 고효율을 동시에 만족하며 AI와 HPC 시대의 핵심 인프라로 부상하고 있으며, 앞으로의 반도체 설계는 이 구조를 중심으로 발전할 것입니다.