SK hynix, AI 메모리를 근본적으로 냉각하는 'iHBM' 열 설계 구조 공개 — HBM 인터페이스 내 통합 냉각 요소로 열 저항 30%

오늘 5월 26일 공식 보도자료를 통해 SK hynix는 AI 시스템 성능을 향상시키기 위해 설계된 메모리 열 관리 기술인 'iHBM'을 발표했습니다. 이 열 패키징 솔루션(thermal packaging solution)은 통합 냉각 요소(Integrated Cooling Elements, ICEs)를 HBM 패키지에 직접 통합함으로써 방열 성능을 강화합니다. SK hynix는 그 결과 열 저항이 30% 이상 감소하여, "고온 및 고부하 환경에서도 안정적인 동작 특성을 보장한다"라고 밝혔습니다.

iHBM 아키텍처는 비전도성 실리콘 기반 냉각 요소를 Die-to-Die 물리 계층(Die-to-Die Physical Layer, D2D PHY)에 직접 내장합니다. D2D PHY는 HBM 베이스 다이(base die)와 AI 프로세서 사이의 핵심적인 고속 연결 인터페이스로, 극심한 데이터 트래픽의 결과로 인해 급격한 온도 상승(temperature spikes)이 발생하기 쉽습니다. SK hynix는 이 계층에 냉각 요소를 배치함으로써, 과도한 연산 부하가 걸리는 동안 AI 시스템 성능을 저하시키는 심각한 열 쓰로틀링(thermal throttling) 현상을 완화합니다.

회사는 구조적으로 열 쓰로틀링을 방지함으로써 차세대 메모리 계층(HBM5와 같은 미래 세대 겨냥)이 더 높은 적층 높이로 확장될 수 있고, AI 데이터 센터의 과중한 연산 부하 하에서도 최대 데이터 전송 속도를 유지할 수 있을 것이라고 믿고 있습니다.

SK hynix의 이강욱 부사장은 "iHBM은 메모리 설계 역량과 첨단 패키징 기술을 결합하여 개발된 열 발생 최소화를 위한 최적의 솔루션"이라며, "AI 환경에서 고객이 필요로 하는 가치를 선제적으로 제공하고 AI 메모리 분야에서의 리더십을 더욱 공고히 할 것"이라고 말했습니다.

SK hynix는 고성능 컴퓨팅(High-Performance Computing, HPC), AI 데이터 센터 및 기타 초고밀도·초고대역폭 환경의 열 관리 요구 사항을 충족하기 위해 HBM5와 같은 차세대 제품부터 iHBM 기술을 적용할 계획이며, 이를 통해 전반적인 시스템 안정성과 효율성을 개선할 예정입니다.

열 관리 (Heat management)는 HBM (High-Bandwidth Memory, 고대역폭 메모리) 기술이 직면한 가장 큰 과제 중 하나입니다. 기존 메모리와 달리, HBM은 여러 개의 DRAM 다이 (Die)를 수직으로 적층하여 방대한 대역폭 (Bandwidth)을 달성하며, 데이터가 이동해야 하는 거리를 획기적으로 단축하고 더 높은 전송 속도와 더 나은 전력 효율성을 가능하게 합니다.

지연 시간 (Latency)을 최소화하고 AI 프로세서에 병목 현상 (Bottleneck) 없이 충분히 빠른 속도로 데이터를 공급하기 위해, HBM은 고속 실리콘 인터포저 (Silicon interposer)를 통해 연결되어 동일한 패키지 내의 GPU 또는 AI 가속기 (AI accelerator)와 매우 가까운 곳에 배치됩니다. 그러나 이러한 조밀한 배치는 심각한 열 문제를 야기하기도 합니다.

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프로세서와 HBM 스택을 연결하는 초고속 인터페이스인 다이 간 물리 계층 (Die-to-Die Physical Layer, D2D PHY)은 초당 테라바이트 단위의 데이터를 지속적으로 이동시킵니다. 수천 개의 신호 통로 (Signaling lanes)와 수십억 개의 트랜지스터 (Transistor)가 매우 높은 주파수에서 스위칭됨에 따라, 스위칭 손실 (Switching losses), 누설 전류 (Leakage current), 그리고 전기 저항 (Electrical resistance)이 상당한 열을 발생시킵니다.

이 문제는 이미 엄청난 양의 열을 생성하는 프로세서 자체로 인해 더욱 악화됩니다. HBM 스택이 프로세서 주변에 빽빽하게 배치되어 있어, 매우 좁은 영역에 열이 빠르게 축적됩니다. 온도가 안전 한계치를 초과하면, 시스템은 물리적 손상을 방지하기 위해 서멀 스로틀링 (Thermal throttling)을 통해 클록 속도 (Clock speeds)와 전압 (Voltages)을 자동으로 낮추며, 이는 전체적인 성능 저하로 이어집니다.

SK hynix의 새로운 iHBM 방식은 구조적 수준에서 이 문제를 해결하고자 시도합니다. 코어 다이 (Core die)와 주변 패키지 구조를 통해 간접적으로 열을 방출하는 기존의 HBM 냉각 설계와 달리, 이 회사의 iHBM 아키텍처는 열 집중이 가장 심각하게 발생하는 구역인 D2D PHY 영역 바로 주변에 통합 냉각 요소 (Integrated Cooling Elements, ICEs)를 직접 배치합니다. 이러한 접근 방식은 발생원(Source)에 전용 방출 경로를 생성하여 전체적인 열 저항 (Thermal resistance)을 30% 감소시키며, 고밀도 AI 워크로드 (Workloads)가 요구하는 고온·고압 조건에서도 칩이 안정적인 동작을 유지할 수 있도록 합니다.

SK hynix는 이 기술이 이미 상용 HBM 제품에 사용되고 있는 Mass Reflow Molded Underfill (MR-MUF) 패키징 기술을 기반으로 구축된 기존의 웨이퍼 레벨 패키징 (Wafer Level Packaging, WLP) 공정을 사용하여 대량 생산될 수 있다고 밝혔습니다. 또한 이 설계는 기존의 시스템 인 패키지 (System-in-Package, SiP) 구성과 아키텍처적으로 호환되므로, 고객은 대대적인 재설계 없이도 새로운 열 관리 기능을 통합할 수 있습니다.

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Etiido Uko는 빅테크 및 PC 산업의 최신 업데이트를 다루는 Tom's Hardware의 뉴스 기고자입니다. 그는 기계 공학자이자 9년 이상의 문서화 및 리포팅 경력을 가진 시니어 테크니컬 라이터 (Senior technical writer)입니다. 그는 공학 및 기술 전반에 대해 깊은 열정을 가지고 있으며, 가젯, 제조, 로보틱스, 자동차 및 항공우주 분야의 전문가입니다.