AMD는 차세대 그래픽카드에 탑재될 것으로 알려진 HBM (High Bandwidth Memory)에 대해 소개하는 자리를 마련했다.
현재 고성능 GPU는 고클럭을 적용한 GDDR5 메모리를 탑재하는 것이 일반적이다. GDDR5는 기존 세대 대비 고클럭 구현과 이를 바탕으로 용량 지원을 확대해왔지만 GDDR5는 성능과 전력 사이에서 비효율적인 모습을 보이기 시작했다.
또한 GDDR5 칩의 면적을 줄이는데 한계가 있으며 높은 대역폭을 확보하기 위해서는 많은 수의 칩을 이용해야 한다. 이는 결과적으로 그래픽카드의 PCB에서 GDDR5가 차지하는 면적을 무시할 수 없게 되었으며 제품의 크기를 전환하는데 어려움이 발생한다. 최근에는 고클럭이 적용되면서 이에 전원을 안정적으로 공급할 고성능 레귤레이터나 부품이 필요해져 그에 따른 부품 수급과 비용의 상승도 이어지는 등 이를 개선할 해결책이 필요해지고 있다.
이러한 시장 상황에 따라 등장한 것이 HBM 메모리다. HBM 메모리는 기존 GPU에 사용하는 GDDR5 메모리보다 낮은 클럭에서도 더 높은 대역폭을 확보 가능하며 전력 효율 역시 높아진다. 일부 공개된 차트에 따르면 HBM은 GDDR5와 비교해 와트당 성능이 3배, 전력 효율도 50% 높아지는 것으로 알려졌다. 용량 확장면에서도 적층 방식을 통해 고용량 구현이 가능하며 GDDR5 대비 메모리가 차지하는 면적도 줄일 수 있어 폼팩터 제한이 줄어들고 확장에도 유리한 구조다.
수직 적층 구조로 대역폭과 용량, 효율 개선하는 HBM
최근에는 효율과 제조 비용, 설계의 편의를 높이기 위해 여러 칩의 기능을 통합하는 기술이 발전하고 있으며 SoC와 같은 형태로 등장하고 있다. 이러한 통합의 요구는 점점 높아지고 있지만 여러 기능 칩을 통합하는 온칩이나 개별로 구성되는 오프 칩 구성은 구성에 따른 비용이나 효율 문제가 제기되고 있다. DRAM 칩과 로직 사이의 커뮤니케이션에 따른 부하 및 지연시간 증가, 전력소모 증가 등이 그것이다.
HBM에 도입하는 인터포저 (Interposer) 기술은 종이 한 장의 두께로 구현되는 실리콘 인터포저가 이용되며 수직 적층 (실리콘관통전극, Through Silicon Vias, TSV) 방식으로 많은 칩을 연결할 수 있다. SoC나 GPU 칩도 통합이 가능하며 이러한 구현 방식은 메모리 칩은 저전력을 제공하면서 넓은 대역폭, 용량 확보, 효율 문제를 개선할 수 있게 된다. AMD는 개방 표준 기술을 기반으로 HBM과 인터포저 기술의 양산이 가능하도록 SK하이닉스 (SK Hynix)와 수년 동안 개발을 진행해온 것으로 알려졌다.
HBM과 인터포저를 이용 다양한 폼팩터 구현 기대
HBM과 인터포저 도입으로 얻는 또다른 장점은 폼팩터 구성 제한이 완화되는 것이다. GDDR5는 폼팩터의 약간의 개선은 가능하지만 대대적인 변화는 어려웠지만 HBM은 더 작은 크기로 사용 면적이 줄면서 폼팩터 구성이 기존보다 자유로워진다.
GDDR5와 HBM 메모리 칩을 이용해 동일한 용량을 1GB로 구성하면 GDDR5 (4x256MB)는 28x24mm로 672mm^2의 면적을 차지하는 반면 HBM은 5x7mm로 35mm^2의 면적으로 19배 더 작은 면적에 동일한 용량을 구현한다. 여러 개의 메모리 칩이 사용되는 그래픽카드의 PCB를 구현할 때도 라데온 R9 290X 기준 9900mm^2가 GPU와 GDDR5가 차지하는데 HBM (1GB HBM Stack)을 이용하면 4900mm^2로 50% 더 작은 PCB로 구현이 가능해진다.
GDDR5 대비 높은 대역폭 확보 및 전력 효율 높인 HBM
GDDR5와 HBM 메모리는 대역폭과 전력 효율에도 차이를 보인다. 고성능 GPU에 탑재되는 GDDR5는 칩당 32bit 버스와 최대 7Gbps (1750MHz) 클럭을 통해 칩당 최대 28GB/s의 대역폭을 구현하는데 HBM은 1024bit 버스와 최대 1Gbps (500MHz)의 더 낮은 클럭에서도 스택 당 100GB/s로 3배 이상의 대역폭 확보가 가능하다. 동작 전압도 HBM은 1.5V인 GDDR5보다 낮은 1.3V로 동작하므로 전력소비에서도 유리하다.
결과적으로 HBM과 인터포저 조합은 기존 GDDR5보다 더 높은 대역폭을 제공하면서도 상황에 따라 최대 50% 이상 더 적은 전력을 소모한다. 이를 통해 고성능 요구가 높아지는 미래의 GPU/ APU 성능 향상의 열쇠가 될 것으로 전망했다.
초기 적용되는 HBM은 1세대 기술로 알려졌으며 향후 등장할 2세대 HBM은 용량이나 대역폭, 전력 효율 모두 기존보다 더 개선될 것으로 예상된다. 현재 SK하이닉스가 개발 중인 2세대 HBM은 올해 말 또는 2016년 초 양산 계획이며 속도는 2배가 향상될 것으로 알려진 바 있다.
하이엔드 GPU 우선 구현, 차세대 GPU/ APU 성능 향상 기대
HBM은 현재까지 알려진 것처럼 초기에는 고성능 하이엔드 GPU에 우선 탑재될 예정이지만 제반 환경이 갖추어지면 생태계 확대를 통해 GDDR3나 그 이상의 그래픽 메모리 확대가 이루어진 것처럼 메인스트림과 보급형에도 확대 적용될 것으로 전망했다. APU도 차후에는 HBM을 도입할 것으로 알려졌는데 이에 탑재될 경우 내장 GPU의 부족한 대역폭을 확보 가능해 한층 개선된 성능을 제공할 것으로 예상된다.
최근에는 8GB를 넘어 12GB GDDR5 메모리를 장착하는 고성능 그래픽카드가 등장하고 있는데 고용량 구현면에서도 HBM은 스택당 1GB, 2개에서 최대 8개를 적층 가능해 높은 대역폭 확보 및 용량 구현도 상대적으로 유리할 것이라고 밝혔다.
HBM 메모리에서 발생하는 발열에 대해서도 GPU에 더해 낮은 동작 전압으로 저전력과 저발열을 구현하는 메모리가 히트싱크 역할을 하는 등 열을 분산해 기존보다 안정적이고 효율적인 발열 관리가 가능해질 것이라고 전했다.
한편 AMD HBM은 성능과 전력 효율 개선에 영향을 줄 것으로 알려진 가운데 현재는 이를 확인하기 어렵지만 6월 중으로 공개가 예상되는 차세대 라데온 R9 390X를 통해 그 실체를 파악할 수 있을 것이다.
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