두 배 빠른 속도, 13% 에너지효율 향상된 DDR5로 준비하는 AI시대

늘어난 수요만큼 컴퓨팅 파워도 빠르게 성장하고 있다. 우리 손에 쥔 작은 모바일 기기부터 공장 내의 연결된 기계까지 모든 디지털 기기로 인해 글로벌 데이터 볼륨은 기하급수적으로 늘어나는 추세이다. 2020년 1인당 초당 데이터 생성량은 1.7MB로 추정되고 있다. 전문가들은 2025년까지 전 세계 연간 데이터 생성량이 175ZB(175조 기가바이트)에 이를 것으로 전망하고 있다. 이러한 데이터는 데이터 애널리틱스, 슈퍼컴퓨팅, 머신러닝, 인공지능 등 최첨단 고성능 컴퓨팅 구현을 이끌어준다. 이러한 상황에 대처하기 위해, 컴퓨터는 초고속 마이크로프로세서와 데이터를 빠르고 효율적이며 지속 가능한 방식으로 처리할 수 있는 메모리 솔루션을 갖춰야 한다. 삼성전자의 혁신적 솔루션은 지금까지 D램(DRAM, dynamic random access memory) 개발 과정의 성능 최적화와 관련해 로직 반도체에서만 구현됐던 기술을 적용하여 이러한 니즈를 충족시키는 데 일조하고 있다.

DDR5로의 도약 그 결과 이전 세대(DDR4)에 비해 성능이 두 배 이상 향상되고 최대 7,200Mbps의 속도로 데이터 전송이 가능한 차세대 메모리 칩인 DDR5가 탄생해, 이미 엄청난 속도를 자랑하는 프로세서의 연산 속도를 한 단계 끌어올릴 수 있게 됐다. 컴퓨터 메모리는 전하를 저장할 수 있는 여러 셀로 구성된다. 셀이 충전되면 컴퓨터 소프트웨어는 이를 ‘1’의 이진 상태로 해석한다. 셀에 전하가 없는 경우 컴퓨터 소프트웨어는 이를 ‘0’의 이진 상태로 해석한다. 이러한 방식으로 램(RAM)은 전하를 활용해 컴퓨터 코드를 구성하는 수백만 개의 1과 0을 저장하고 처리한다. 그러나 최근 몇 년간 컴퓨터 메모리 칩 제조업체들은 물리학적 한계에 직면했다. 메모리가 작동하려면 각 셀간에 절연이 이루어져야 한다. 그렇지 않으면 전하가 누출돼 셀을 넘나들며 램에 저장된 데이터를 오염시키고, 결과적으로 이 데이터가 필요한 프로그램이 실행되지 않을 수 있다. 삼성전자는 이러한 한계를 극복하는 동시에 차세대 D램 칩의 성능을 크게 향상시키기 위해, 업계 최초로 로직 칩에 주로 쓰이는 HKMG(High-K Metal Gate) 공정을 고밀도 메모리 칩에 적용했다. 그 성과로 밀집된 셀 사이의 절연 상태가 개선돼 DDR4에 비해 두 배 이상 빠른 속도로 데이터를 전송할 수 있게 됐다. HKMG 공정 도입이 가능했던 이유는 삼성전자가 업계와 기술의 흐름을 주도하고 있기 때문이었다. 이와 더불어 여러 고객사와의 긴밀한 협력 역시 기술 도입에 큰 몫을 했는데, 특히 고객사들은 보다 빠르고 효율적인 메모리 솔루션이 필요하다는 피드백을 공유해왔다.

뛰어난 성능과 지속 가능성의 조화 이에 삼성전자는 목표한 성능 향상과 획기적인 에너지 절감을 달성하기 위해 매진했다. DDR5 메모리는 이전 세대에 비해 에너지 사용량이 13% 적은데, 이는 글로벌 데이터센터 시장이 연간 6.4% 성장하고 있다는 사실을 감안할 때 중요한 성과이다. 이미 데이터센터는 전 세계 에너지 생산량 중 약 1%를 소비하고 있는데, 데이터센터 부문에 큰 변화가 있지 않는 한 이 수치는 향후 10년 동안 40배 증가할 것으로 예상된다. 데이터센터를 비롯해 고성능 컴퓨팅을 활용하는 고객의 니즈에 따라, 처리 용량을 늘리는 동시에 환경에 미치는 영향도 줄일 수 있는 기술이다. HKMG 공정이 적용된 삼성전자의 신규 DDR5 모듈은 바로 이러한 니즈를 충족시키기 위해 개발됐다. DDR5 메모리는 대용량 에너지 효율이 높은 메모리 모듈을 제공해 성능과 효율성간의 최적의 균형을 이뤘다.

데이터 집약적 워크로드에 적합한 512GB 메모리 DDR5 메모리는 실리콘 관통전극(TSV) 기술을 활용해 16GB D램 칩 레이어를 8개 쌓음으로써 최대 512GB 용량을 확보할 수 있다. 삼성전자 연구원 및 엔지니어들이 이뤄낸 혁신적인 메모리칩 핵심 기술들 덕분에 삼성전자의 파트너사들은 DDR5 메모리 제품군을 머신러닝과 인공지능을 넘어 애널리틱스, 엑사스케일 컴퓨팅, 많은 양의 데이터를 처리해야하는 새로운 워크로드에 이르기까지 다양한 분야에 자사 제품을 통합해 활용할 수 있게 됐다.

손영수 삼성전자 메모리사업부 DRAM 기획그룹 상무는 “업계에 게임 체인저가 절실했는데, 삼성이 유일하게 HKMG공정을 메모리 제품 개발에 접목할 수 있는 로직 칩과 메모리 제조 역량을 모두 보유했다”며 “삼성전자의 DDR5 메모리 모듈은 업계에서 활용할 수 있는 최상의 툴로써, 성능은 향상되고 전력 소비는 감소됐다. 코로나19로 기업과 사회의 디지털 전환이 최대 7년까지 앞당겨지고 있는 상황에서, DDR5 메모리는 업계에 반가운 소식일 뿐만 아니라 차세대 디지털 세계에 핵심 진전이다”고 말했다.