DDR5 DIMM용 솔루션, 차세대 서버 메모리 성능 향상을 이끌다

요즘과 같은 세상에 메모리 반도체가 중요하다는 것은 모두가 알고 있다. 하지만 우리가 기대하는 기술적 발전을 실현하는 데 있어 메모리 모듈, 즉 DIMM (Dual In-Line Memory Module)이 수행하는 핵심적인 역할은 종종 간과되곤 한다. DIMM에 대한 전반적인 시장 전망은 대체로 안정적인 편이지만, AI 와 클라우드 서비스 확장은 서버의 메모리 용량 수요를 증가시키고 있으며, 이는 DIMM의 수요와 함께 고용량 ·고속 특성에 대한 요구를 높이고 있다. 반면, 클라이언트 시장에서는 용량 요구가 점차 포화에 이르며 모듈 수요가 상대적으로 제한적이다. 특히 노트북의 경우, 휴대성을 강조하는 추세가 두드러지면서 슬림한 폼팩터 (form factor) 디바이스 채택이 늘고, 그 결과 온보드 DRAM (LPDDR, 저전력 DRAM) 솔루션 선호와 그에 따른 모듈 수요 성장 제한으로 이어지고 있다. 이러한 시장 변화 속에서 안정적인 서버 운영을 확보하는 것이 중요하며, 이에 따라 DIMM 관련 부품의 역할이 더욱 부각되고 있다. 삼성전자 시스템 LSI 사업부는 모바일 전력 관리 IC (PMIC, Power Management Integrated Chip) 분야에서 쌓아온 오랜 경험을 바탕으로, 고객의 요구에 부합하는 DIMM 관련 제품과 기술을 제공해오고 있다.

삼성전자는 2017년 DDR5 PMIC 시장에 진입했으며, 이후 2021년 DDR5 DRAM 모듈용 첫 PMIC 제품을 출시했다. 이전에는 메인보드가 PMIC를 통해 모듈에 전력을 공급했지만, DDR5로의 전환 이후 JEDEC 규격에 따라 PMIC는 모듈 내부에 탑재되는 것이 필수가 되었다. 삼성전자는 JEDEC 표준을 준수하는 제품을 생산하며, 업계 최고 수준의 효율성과 견고한 설계를 지속적으로 목표로 해오고 있다. PMIC뿐만 아니라 DDR5 모듈에 필요한 제품 라인업을 확장하고 있으며, 고객에게 토탈 솔루션을 제공하는 것을 핵심 전략으로 삼고 있다.

이러한 노력은 SPD (Serial Presence Detect) 및 TS (Temperature Sensor) 개발로 시작되었지만, 상대적으로 진입 장벽이 높은 CKD (Client Clock Driver) 개발 및 버퍼 제품으로 확장되었다. 이 모든 것은 삼성전자가 시장을 선도하고 있음을 보여주는 최신 지표라 할 수 있다. 그렇다면, 이러한 개발이 삼성전자 시스템 LSI 사업부를 어떻게 앞서 나가게 만드는 것일까?
 

PMIC: 전력 인프라의 핵심
 

대도시에서는 매일 수천, 아니 수백만 명의 사람들이 A지점에서 B지점으로 이동한다. 이러한 도시에서 지하철과 같은 대중교통은 도시 기능을 유지하는 핵심 인프라이다. 지하철이 없다면 승객들은 제시간에 원하는 곳으로 이동할 수 없을 것이다. DIMM에서 PMIC는 이 지하철 시스템과 같아서, 필요한 전력을 각 IC에, DRAM과 CKD, SPD, TS와 같은 주변 구성 요소로 운반하는 중요한 역할을 하고 있다. 이 중 SPD는 어떤 승객이 어디로, 얼마나 가는지를 결정하므로 일종의 지하철 관제 기관과 유사하다고 볼 수 있다. 이 시스템에서 PMIC는 모든 것이 제대로 작동하도록 보장하는 데 필수적인 기반 시설인 것이다.

서버 제품은 일반적으로 클라이언트 제품보다 더 많은 채널과 더 높은 전력 용량을 요구하고 있으며, 기술 발전을 통해 PMIC에서 공급 가능한 전원 채널과 종류, 용량이 증가하여 이러한 요구들을 충족할 수 있게 되었다. 이 때문에 서버 제품에는 4채널 벅 컨버터 (buck converter)와 2LDO (Dual Low Dropout Regulator)¹가 사용되며, 클라이언트 제품에는 3채널 벅 컨버터와 2LDO²가 적용된다. 초기에는 서버와 클라이언트 각각에 대해 하나의 제품만 개발할 예정이었지만, DRAM 모듈의 용량과 속도가 증가함에 따라 전력을 공급하는 방식에도 차별화가 필요해졌고, 이 흐름이 제품 다변화로 이어졌다.
 

DDR4에서는 PMIC가 모듈 외부, 즉 기판 위에 장착되었다. 이는 외부에서 모듈로 전력이 공급될 경우 배선 길이가 길어지고, 슬롯이나 모듈의 골드 핑거 (gold finger) 접촉 저항 때문에 전력 효율이 감소하는 단점이 있었다.³ 또한, PMIC가 모듈의 특성에 맞게 최적화되지 않아 성능이 떨어지고, 메인보드의 노이즈에도 취약하다. DDR5는 이러한 문제를 해결하기 위해 PMIC를 모듈 내부에 직접 장착하는 방식으로 변경했다. 이 구조는 시스템 수준의 전력 효율을 향상시키고, 전력 무결성 특성 (Power Integrity)이 개선되어 DRAM에 보다 안정적으로 전력을 공급할 수 있게 해준다. PMIC에서 가장 중요한 특성은 안정성과 견고한 설계이며, 삼성전자 시스템 LSI 사업부의 PMIC는 JEDEC의 기준을 상회하는 자체 기준에 따라 설계된다. 예를 들어, 입력 전압은 JEDEC 기준 대비 180% 이상 안정성을 확보하고 있다.

SPD/TS: 운영과 관리

PMIC가 모듈에 내장되면서, 호스트 (CPU) 와 DRAM (DIMM) 간의 통신을 위해 더 많은 능동 소자가 필요하게 되었다. 또한 DIMM 내부의 능동 소자를 제어하고 관리하기 위한 인터페이스 허브 (Interface hub)도 필수적이다. 이에 따라, 원래 DIMM 데이터의 저장소 역할만 하던 EEPROM 기반 SPD에 I2C (Inter-Integrated Circuit) / I3C (Improved Inter-Integrated Circuit) 허브 기능이 추가되었다. SPD는 이제 단순한 저장 장치를 넘어 초기 부팅 시 DIMM 내의 능동 소자들을 관리하는 역할까지 수행하게 되었으며, 그 기능과 중요성이 더욱 커졌다.

DDR5 이전 세대에서도 DIMM 및 시스템을 평가하여 시스템의 온도를 모니터링하는 온도 센서가 포함되어 있었으나, DDR5는 속도와 용량이 크게 향상된 만큼 온도 민감도도 높아졌다. 온도가 상승하면 오작동가능성이 커지기 때문에, DDR5의 온도 센서는 온도를 더 정밀하게 측정하고 온도 구간별로 적절한 조치를 수행한다. 이러한 조치에는 IC 작동 속도를 줄이거나 냉각 성능을 높이는 방법이 포함되며, 따라서 아래 표에 표시된 것과 같이, 온도 센서의 정밀도가 향상되어야 함을 의미한다.⁴
 

CKD: 성능 향상 장치  

과거 클라이언트 DIMM은 일반적으로 CPU 당 적은 수의 모듈과 짧은 배선 길이를 가졌기 때문에 별도의 버퍼 칩이 필요하지 않았다. 그러나 DDR5 데이터 전송 속도가 6400MT/s 이상으로 증가하면서 클락 버퍼 (clock buffer)가 필요하게 되었고, JEDEC는 DDR5 클라이언트 모듈에 CKD를 탑재할 것을 요구하기 시작했다. 이에 따라 삼성전자 시스템 LSI사업부는 6400MT/s부터 9200MT/s까지 다양한 DDR5 규격에서 우수한 성능을 확보할 수 있도록, 업계 최고 수준의 공정기술을 적용한 신제품을 선보였다. 특히 9200MT/s 지원은 업계 최초로 최고 속도 전 구간을 커버했다는 점에서 중요한 이정표라 할 수 있다. 
 

삼성전자는 오랜 시간 동안 PMIC 기술 개발과, 고객에게 안정적인 제품을 경쟁력 있는 가격에 공급해온 경험을 보유하고 있다. 업계 표준을 충족하는 토탈 솔루션을 개발하는 노력은 삼성전자가 고객 중심의 반도체 제조사임을 보여주는 예이며, 생산 및 검증 비용을 절감하는 턴키 제품 솔루션을 제공하려는 꾸준한 노력 또한 마찬가지이다. AI 시대에 접어든 지금, 삼성전자 시스템 LSI 사업부는 사전 검증된 호환성과 능동 소자 운영을 통해 개발 리소스의 효율성을 높이고 있다. 기술이 고도화될수록 이러한 접근 방식은 관련된 모든 이들의 성공을 위한 발판을 마련할 것이다.

* 표시된 이미지는 예시용으로만 제공되며, 제품 자체 또는 해당 제품과 함께 촬영된 이미지를 정확하게 재현하지 않을 수 있습니다. 모든 이미지는 디지털 방식으로 편집, 수정 또는 보정되었습니다.

* 모든 제품 사양은 내부 테스트 결과를 반영하며 사용자의 시스템 구성에 따라 변동이 있을 수 있습니다. 실제 성능은 사용 조건과 환경에 따라 다를 수 있습니다. 

_{¹⁾ 서버 모델: PMIC 5000 5010 5020 5030.
²⁾ 클라이언트 모델: PMIC 5100 5120 5200.
³⁾ 골드 핑거는 PCB (Printed Circuit Board) 또는 DIMM 가장자리에 있는 금도금 접점으로, 메모리와 마더보드 (motherboard) 간에 신호와 전력이 전달되도록 한다.
⁴⁾ JEDEC Standard TS5111, TS5110 Serial Bus Thermal Sensor, Rev. 1.3, September 19, 2020.}