삼성전자, 업계 최초 HKMG 공정 적용 고용량 DDR5 메모리 개발

2021/03/25
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삼성전자가 업계 최초로 ‘하이케이 메탈 게이트 (High-K Metal Gate, 이하 HKMG)’ 공정을 적용한 업계 최대 용량의 512GB DDR5 메모리 모듈을 개발했다.

DDR5는 차세대 D램 규격으로 기존의 DDR4 대비 2배 이상의 성능이며, 향후 데이터 전송속도가 7200Mbps로도 확장될 전망이다. 이는 1초에 30GB 용량의 UHD 영화 2편 정도를 처리할 수 있는 속도이다.

삼성전자가 이번에 개발한 고용량 DDR5 모듈은 업계 최고 수준의 고용량ㆍ고성능ㆍ저전력을 구현해, 차세대 컴퓨팅, 대용량 데이터센터, 인공지능 등 첨단산업 발전의 핵심 솔루션 역할을 할 것으로 기대된다.

이번에 개발된 DDR5 메모리는 메모리 반도체 공정의 미세화에 따른 누설 전류를 막기 위해 유전율 상수(K)가 높은 물질을 공정에 적용해 고성능과 저전력을 동시에 구현한 것이 특징이다.

HKMG가 적용된 삼성전자 DDR5 메모리 모듈은 기존 공정 대비 전력 소모가 약 13% 감소해, 데이터센터와 같이 전력효율이 중요한 응용처에서 최적의 솔루션이 될 것으로 기대된다.

또한 이번 제품에는 범용 D램 제품으로는 처음으로 8단 TSV(Through Silicon Via, 실리콘 관통 전극) 기술이 적용됐다.

삼성전자는 고용량 메모리 시장의 확대와 데이터 기반 응용처의 확산에 따라 16Gb(기가비트) 기반으로 8단 TSV 기술을 적용해 DDR5 512GB 모듈을 개발했다.

삼성전자는 2014년 세계 최초로 범용 D램인 DDR4 메모리에 4단 TSV 공정을 적용해 64GB에서 256GB까지 고용량 모듈 제품을 서버 시장에 선보인 바 있다.

삼성전자 메모리사업부 상품기획팀 손영수 상무는 “삼성전자는 메모리 반도체와 시스템 반도체 기술 경쟁력을 바탕으로 업계 최초로 HKMG 공정을 메모리 반도체에 적용했다”며, “이러한 공정 혁신을 통해 개발된 DDR5 메모리는 뛰어난 성능과 높은 에너지 효율로 자율주행, 스마트시티, 의료산업 등으로 활용 분야가 확대될 고성능 컴퓨터의 발전을 더욱 가속화시킬 것으로 기대된다”고 밝혔다.

인텔 메모리 & IO 테크놀로지 총괄 VP 캐롤린 듀란(Carolyn Duran)은 “처리해야 할 데이터양이 기하급수적으로 늘어나는 클라우드 데이터센터, 네트워크, 엣지 컴퓨팅 등에서 차세대 DDR5 메모리의 중요성이 대두되고 있다”며, “인텔은 인텔 제온 스케일러블 (Intel® Xeon® Scalable) 프로세서인 사파이어 래피즈(Sapphire Rapids)와 호환되는 DDR5 메모리를 선보이기 위해 삼성전자와 긴밀하게 협력하고 있다”고 밝혔다.

삼성전자는 HKMG 공정과 8단 TSV 기술이 적용된 고용량 DDR5 메모리를 차세대 컴퓨팅 시장의 고객 수요에 따라 적기에 상용화할 계획이다.

정면으로 보이는 삼성전자 512GB DDR5 측면으로 보이는 삼성전자 512GB DDR5

2개의 삼성전자 512GB DDR5이 놓여진 모습

▲ 삼성전자 512GB DDR5

D램의 구조 D램 내부는 트랜지스터와 캐패시타로 구성됨 캐패시터는 전하를 저장하는 역할을 하며, 트랜지스터는 캐패시터의 입구를 여닫는 스위치의 역할을 함. 캐패시터에 전화가 저장되어 있을때는 T, 없을 때는 ‘0’으로 인식함으로써 데이터를 저장할 수 있음.D램 트랜지스터의 구조 트랜지스터 내부에는 소스와 드레인이 있으며, 전압이 거리면 잔자가 소스에서 드레인으로 이동해 전류가 흐르게 됨. 절연막은 전자의 누설을 방지하는 역할을 하며, 그 층이 두꺼울수록 절연 효과가 큼. 세계 최초로 DDR5에 HKMG 공정 적용 기존에는 D램 절연막에 pSiON 물질을 사용해 왔음. 공정의 미세화로 트랜지스터 크기가 작아짐에 따라 절연막의 두께도 함께 감소해 왔으나, 두께가 너무 얇아짐에 따라 누설 전류 증가와 신뢰성 저하가 일어날 수 있다는 이슈 발생. 삼성전자 DDR5는 절연 효과가 높은 High-K 물질을 절연막에 적용해 두께는 줄이면서도 누설 전류를 줄여 신뢰성을 높임. High-K 물질과 함께 사용하기 적합한 Metal Gate로 변경. High-K는 유전 상수 K가 큰 물질 즉 유전율이 높은 물질을 의미함 High-K+Metal Gate를 함께 HKMG 공정이라고일컬음. HKMG 공정 적용으로 저전압(1.1V)에서도 고성능을 구현할 수 있어 전력 효율을 높여 기존 겅정 대비 전력 소모를 13%나 감소시키고 향후 절연막 두께를 더욱 축소할 수 있는 토대를 마련함. 고성능과 저전력 특성이 동시에 필요한 응용처에 최고의 솔루션을 제공. 데이터 시대를 위한 첨단 솔루션 DDR5 최고 전송속도(Mbps) 7200 최고 전송속도가 DDR4의 3200Mbps의 두배 이상인 7200Mbps에 달해 클라우드 데이터 센터, 네트워크 및 엣지 컴퓨팅 분야 등 데이터처리량이 급증하고 있는 IT 분야에 최적의 솔루션을 제공. 모듈 최대 용량(GB) 512 세계 최초로 8단 TSV 기술을 활용해 512GB DDR5 모듈을 구현함으로써, 고용량 솔루션을 요구하는 데이터 센터, 슈퍼컴퓨터 및 차세대 컴퓨팅 분야 고객 니즈에 완벽히 부합하는 포트폴리오 제공.

▲ 인포그래픽

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