[빅데이터뉴스 조재훈 기자] 삼성전자가 기존 고대역폭메모리(HBM)를 뛰어넘는 3차원(3D) 적층 구조의 차세대 메모리 'zHBM'을 세계 최초로 공개했다. 인공지능(AI) 가속기 위에 HBM을 수직으로 쌓아 올려 데이터 이동 거리를 최소화한 것이 핵심이다.

5일 업계에 따르면 삼성전자는 4일부터 6일(현지시간)까지 미국 캘리포니아주 산타클라라 컨벤션센터에서 열리는 '퓨처오브메모리앤스토리지(FMS) 2026'에 참가해 차세대 3D 메모리 아키텍처인 zHBM과 zNAND-O의 실물모형(목업)을 업계 최초로 공개했다, 삼성전자는 이번 행사에 약 20평 규모의 최대 전시 공간을 마련하고 AI 클라우드 서버를 형상화한 부스를 꾸려 D램부터 낸드, 스토리지에 이르는 약 30개 제품을 선보였다.
행사 첫날인 4일 오전에는 이진엽 삼성전자 플래시개발실 부사장과 김경륜 D램개발실 상무가 'AI 혁명의 물결을 이끄는 3D 혁신: 메모리·스토리지 아키텍처'를 주제로 기조연설에 나섰다. 두 사람은 zHBM과 zNAND-O 등 차세대 3D 메모리를 기반으로 고성능컴퓨팅(HPC)과 AI 인프라 수요 증가에 대응하고, AI 시스템의 성능과 전력효율을 극대화하기 위한 기술 비전을 제시했다.

zHBM은 기존에 AI 가속기(xPU) 옆에 HBM을 배치하던 방식에서 나아가 AI 가속기 상단에 HBM을 수직으로 적층하는 구조다. AI 가속기와 메모리 간 데이터 이동 거리를 최소화해 대역폭과 전력효율을 높이고, 대규모 AI 모델의 학습과 추론에 필요한 초고속 데이터 처리를 지원한다. zHBM이 적용된 차세대 인터페이스 시스템은 8세대 HBM인 'HBM5' 대비 최대 8배 높은 성능을 제공하며, 짧아진 데이터 이동 거리 덕분에 전력 대비 성능은 최대 3배 향상되고 열 저항은 절반 이상 낮아진다.

김경륜 삼성전자 메모리사업부 상무는 현장에서 "고객사들이 10배 높은 메모리 성능을 요구하고 있는데, 이를 달성하기 위해서는 HBM4·HBM5와 같은 기존 2.5차원(2.5D) 구조로는 한계가 있다"고 설명했다. 기존 HBM4·5 구조에서 데이터가 서로 다른 건물을 오가야 했다면, zHBM은 한 건물 안에서 여러 층을 오가는 방식으로 바뀐 셈이라는 설명이다. 이 같은 3차원 적층이 가능해진 배경에는 반도체 내부를 수직으로 관통하는 미세 전기 배선인 실리콘관통전극(TSV)의 밀도가 높아진 점이 꼽힌다.

삼성전자는 낸드플래시 분야에서도 3D 아키텍처를 제시했다. zNAND-O는 기존 V낸드의 수직 적층 기술에 TSV 기술을 결합해 4단 또는 8단 반도체 칩을 3D 패키징한 제품이다. 제품명 끝의 '-O'는 온디바이스(On-device) AI 환경에 최적화됐다는 의미로, 데이터센터가 아닌 PC나 스마트폰 등 기기 내부에서 AI 모델을 구동할 때 필요한 대용량 데이터 처리 능력을 지원한다.
현재웅 삼성전자 메모리사업부 상무는 "토큰 처리 비용이 비싸다 보니 이를 데이터센터 대신 개인 기기에서 처리할 수 있도록 하자는 생각에서 제품을 개발했다"고 말했다. 삼성전자는 지난해 zNAND 개념을 처음 공개한 데 이어 이번에 이를 구체화한 목업을 선보였다.

낸드 자체의 적층 기술도 새로운 이정표를 세웠다. 삼성전자는 이번 행사에서 업계 최초로 수직 적층 400단 이상의 10세대 V낸드 'V10 BV-낸드'를 공개했다. 이는 13년 전 같은 행사에서 세계 최초로 V낸드 기술을 발표한 이후 이어온 기술 혁신의 연장선으로, 전작인 286단 9세대 낸드 다음 제품으로 300단대를 건너뛰고 곧바로 400단대 제품을 내놓은 것이다. 웨이퍼 본딩 기술과 3스택(Stack) 기술을 통해 400단 이상의 초고적층을 구현했으며, 메모리 집적도는 전 세대인 V9 대비 약 58% 향상됐다. 데이터 읽기·쓰기 성능과 입출력(I/O) 속도도 전 세대 대비 개선했다.


삼성전자는 이밖에도 HBM4E, HBM5, LPDDR5X-PIM, PM1763 등 고성능컴퓨팅과 AI 데이터센터에 최적화된 차세대 메모리·스토리지 솔루션도 함께 선보였다. 삼성전자는 앞서 지난 2월 업계 최초로 1c D램과 4나노 베이스 다이 기술을 적용한 HBM4를 양산 출하했고, 5월에는 업계 최대 성능·최고 용량의 HBM4E 샘플을 세계 최초로 고객사에 공급한 바 있다. 이번 행사에서는 HBM4E가 적용된 차세대 AI 플랫폼과 웨이퍼를 전시했고, 신규 열관리 기술인 HPB(Heat Path Block)를 적용해 더 높은 대역폭과 용량을 제공하는 HBM5 목업도 공개했다.
삼성전자에 따르면 HBM5는 전 세대인 HBM4E 대비 성능이 2배 높아지고 열 저항은 20% 줄었으며, 2나노 베이스 다이와 HPB 기술을 채택했다. HPB는 HBM 코어 다이 측면에 열 방출 구조를 추가해 발열 제어 성능을 높이는 기술로, 삼성전자는 HBM4E 기반으로 HPB 구현과 검증을 마치고 HBM5부터 본격 적용할 계획이다.

세계 유일하게 메모리·로직·파운드리·패키징을 아우르는 종합반도체(IDM) 기업인 삼성전자는 이번 행사에서 제품 설계 단계부터 양산까지 지원하는 '원스톱 솔루션' 역량도 부각했다. 삼성전자 관계자는 앞으로도 차세대 메모리 기술 혁신과 메모리·파운드리·첨단 패키징을 아우르는 차별화된 솔루션을 통해 AI 시대의 반도체 기술 리더십을 지속 강화해 나갈 계획이라고 밝혔다.

조재훈 빅데이터뉴스 기자 cjh@thebigdata.co.kr