HBM4보다 핀 수는 적은데 용량은 더 크다고? SPHBM4 표준 알아보기

안녕하세요. 8년차 개발자 김테크입니다.

요즘 백엔드나 인프라 쪽, 특히 AI 관련 프로젝트를 다루시는 분들이라면 누구나 한 번쯤 겪는 고통이 있습니다. 바로 GPU 메모리 부족 현상입니다. 거대 언어 모델(LLM)을 돌리거나 학습시키려 할 때마다 터져 나오는 OOM(Out Of Memory) 에러는 정말 꿈에 나올까 무섭죠.

더 큰 용량의 메모리, 더 빠른 대역폭을 모두가 원하고 있는 이 시점에, 국제 반도체 표준 협의 기구인 JEDEC에서 꽤 흥미로운 기술 표준을 준비 중이라는 소식이 들려왔습니다. 바로 SPHBM4(Standard Package High Bandwidth Memory)입니다.

기존에 우리가 차세대 메모리로 알고 있던 HBM4와 이름은 비슷하지만, 접근 방식이 조금 독특합니다. 오늘은 이 SPHBM4가 기술적으로 어떤 차이가 있고, 왜 우리 같은 엔지니어들이 관심을 가져야 하는지 실무 관점에서 풀어보겠습니다.

먼저 가장 큰 차이점은 핀(Pin)의 개수입니다. 기존 HBM4 표준은 무려 2,048개의 핀을 통해 데이터를 주고받습니다. 엄청난 숫자죠. 핀이 많다는 건 그만큼 데이터가 다니는 고속도로 차선이 많다는 뜻이니 대역폭 확보에 유리합니다. 하지만 JEDEC가 구상 중인 SPHBM4는 이 핀 수를 4분의 1 수준인 512개로 줄이는 것을 목표로 하고 있습니다.

개발자로서 직관적으로 생각하면 "핀이 줄어들면 성능도 떨어지는 것 아닐까?"라는 의문이 드실 겁니다. 마치 4차선 도로를 1차선으로 줄이는 것과 같으니까요. 여기서 SPHBM4는 속도(주파수)를 높이는 방식으로 이 문제를 해결합니다.

JEDEC의 설명에 따르면, 핀 수는 4분의 1로 줄어들지만 작동 주파수를 높이고 4:1 직렬화(Serialization) 기술을 도입한다고 합니다. 쉽게 말해 차선은 하나로 줄었지만, 차량의 속도를 4배로 높여서 결과적으로 시간당 통과하는 차량의 수(총 처리량)는 HBM4와 동일하게 맞추겠다는 전략입니다.

그렇다면 굳이 복잡하게 고속 스위칭 기술까지 써가며 핀 수를 줄이려는 이유는 무엇일까요? 이 부분이 오늘 이야기의 핵심인 인프라 비용 및 용량 확장성과 연결됩니다.

핵심은 기판(Substrate)에 있습니다. HBM4처럼 2,048개의 핀을 오밀조밀하게 박으려면 핀 간격(Pitch)이 매우 좁아야 합니다. 실리콘 기판을 사용해야만 10마이크로미터 수준의 미세 공정이 가능하죠. 하지만 실리콘 인터포저 공정은 비싸고 복잡하기로 유명합니다.

반면, 핀 수를 512개로 줄이면 핀 사이의 간격을 좀 더 넓게 벌릴 수 있습니다. 이렇게 되면 값비싼 실리콘 기판 대신, 상대적으로 저렴하고 다루기 쉬운 표준 유기 기판(Organic Substrate)을 사용할 수 있게 됩니다. 유기 기판은 20마이크로미터 미만의 피치를 가집니다.

이 변화가 가져올 나비효과는 꽤 큽니다. 유기 기판을 사용하면 HBM 모듈을 GPU 코어에서 좀 더 멀리 배치하는 것이 가능해집니다. 채널 거리가 길어져도 신호 무결성을 확보하기가 상대적으로 수월해지기 때문입니다. 물리적인 배치 제약이 줄어든다는 건, 하나의 GPU 주변에 더 많은 HBM 스택을 쌓을 수 있다는 뜻이 됩니다.

결국 SPHBM4는 개별 칩의 용량은 HBM4와 같더라도, 시스템 전체로 봤을 때 더 많은 메모리 모듈을 장착할 수 있게 하여 총 메모리 용량을 획기적으로 늘리겠다는 노림수입니다.

물론 넘어야 할 산은 있습니다. 4:1로 줄어든 핀을 다시 고속으로 제어하려면 베이스 로직 다이(Base Logic Die)를 새로 설계해야 합니다. 다행히 Eliyan과 같은 관련 기업들이 이미 표준 패키징에서 높은 대역폭을 달성할 수 있음을 입증하며 기술적 지원 사격에 나서고 있습니다.

하지만 가장 중요한 것은 메모리 3대장인 마이크론, 삼성전자, SK하이닉스의 동의입니다. 제조사 입장에서는 공정 비용 절감과 용량 증대라는 이점이 확실해야만 이 새로운 표준을 채택할 테니까요. JEDEC 의장이자 삼성전자 임원인 Mian Quddus가 이 표준 형성을 주도하고 있다는 점은 긍정적인 신호로 보입니다.

정리하자면, SPHBM4는 비싼 실리콘 도로 대신 저렴한 유기 기판 도로를 깔고, 그 위를 더 빠른 속도로 질주하여 비용은 낮추고 용량은 극대화하려는 시도입니다. 인프라를 다루는 입장에서는, 향후 AI 데이터센터 구축 비용이 절감되거나 같은 비용으로 훨씬 더 거대한 모델을 메모리에 올릴 수 있는 날이 올 수도 있겠다는 기대감을 갖게 합니다.

아직 개발 단계이고 표준이 확정된 것은 아니지만, 하드웨어의 물리적 한계를 극복하기 위해 아키텍처를 비트는 발상은 우리 소프트웨어 개발자들에게도 시사하는 바가 큰 것 같습니다. 트래픽이 몰릴 때 무작정 서버를 늘리는(Scale-out) 것만이 능사가 아니라, 로직을 최적화해서 처리량을 늘리는 고민과 닮아있기 때문입니다.

앞으로 이 표준이 실제로 상용화되어 우리의 'OOM 공포'를 조금이나마 덜어줄 수 있을지 계속 지켜봐야겠습니다. 읽어주셔서 감사합니다.