HBM(고대역폭 메모리)의 수율을 99.9%까지 높일 수 있는 새로운 기술

https://www.youtube.com/watch?v=4Y7PK-vkK7o&t=1927s

재 HBM의 문제점

HBM은 GPU에 직접 부착되기 때문에 HBM에서 불량이 발생하면 고가의 GPU까지 함께 폐기해야 하는 문제가 있습니다 [02:03:35]. 이로 인해 상당한 재정적 손실이 발생합니다 [02:04:48]. 특히 HBM4와 같은 최신 제품은 미세한 TSV(실리콘 관통 전극) 구멍이 2048개나 있어, 이 구멍들이 막히거나 합선되는 등의 문제로 인해 불량이 자주 발생합니다 [02:22:15]. 현재 HBM의 수율은 30%에서 70% 사이로 추정됩니다 [02:10:48].

수율 개선을 위한 새로운 기술

이 문제를 해결하기 위해 제시된 새로운 기술은 고장 난 메모리 채널을 우회하는 방식을 사용합니다. 기존에는 멀티플렉서를 사용하여 고장 난 TSV를 우회했지만, 이는 외부 제어로 인한 속도 저하와 복잡성의 문제가 있었습니다 [02:30:57].

새로운 접근 방식은 고장 난 메모리 채널을 단순히 비활성화하고, 미리 준비된 여분의 채널로 대체하는 것입니다 [02:40:41]. 예를 들어, 16단으로 구성된 HBM에 17번째 여분 단을 추가하여, 특정 단에 문제가 발생하면 해당 채널을 끄고 나머지 채널들을 한 칸씩 이동시켜 16개의 정상 채널을 유지하는 방식입니다 [02:50:05]. 이러한 방식은 메모리 컨트롤러 설계를 통해 구현됩니다 [02:39:10].

이 혁신적인 기술을 통해 HBM의 수율을 기존 30~70% 수준에서 99.9%까지 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대됩니다 [02:10:48]. 관련 기술은 2024년 7월경 반도체 공학회 논문을 통해 발표될 예정입니다 [02:27:28].

관련 특허 및 연구 동향.

주요 기술 동향은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다.

• 리페어(Repair) 기술: 불량 부분을 예비(Redundancy) 회로로 대체하여 수리하는 방식입니다.
• 우회(Bypass) 기술: 불량 부분을 사용하지 않고 건너뛰도록 회로 경로를 변경하는 방식입니다.

영상에서 제안된 '고장 난 메모리 채널을 비활성화하고 예비 채널로 대체'하는 방식은 이러한 기술 동향의 연장선에 있으며, 특히 메모리 컨트롤러를 이용한 동적 우회 기술로 볼 수 있습니다.

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주요 유사 특허 및 연구

1. TSV 리페어 및 리던던시(Redundancy) 기술

• 삼성전자/SK하이닉스 특허: 두 회사 모두 HBM과 3D 적층 메모리 관련 특허를 다수 보유하고 있습니다. 핵심은 불량 TSV나 메모리 셀을 대체할 수 있는 예비 TSV 및 예비 메모리 셀(Redundant Cell)을 미리 만들어두는 것입니다. 불량이 발견되면, 퓨즈(fuse) 회로 등을 이용해 불량 회로를 끊고 예비 회로를 연결하여 수율을 높입니다. 이는 가장 일반적이고 널리 사용되는 수율 향상 기술입니다.

2. 다이 매칭(Die Matching) 및 적층 기술

• 3차원 메모리의 수율 증진을 위한 다이 매칭 방법 (연세대학교 연구): 이 연구는 여러 개의 메모리 다이(Die)를 적층할 때, 각 다이의 불량 위치 정보를 미리 파악하여 불량 위치가 서로 겹치지 않도록 최적으로 조합하여 적층하는 방법을 제안합니다. 이를 통해 전체 3D 메모리 패키지의 최종 수율을 높일 수 있습니다.
  • 관련 논문

3. 결함 허용(Defect-Tolerant) 설계

• 적층 구조의 3차원 결함극복 메모리 (충북대학교 연구): 이 연구는 여러 개의 '결함이 있는' 메모리 칩을 의도적으로 쌓아 하나의 정상적인 메모리 시스템을 구성하는 방법을 제시합니다. 각 칩의 결함 없는 부분만을 조합하여 전체적으로는 완벽하게 동작하는 메모리 시스템을 만드는 것이 핵심입니다. 이 역시 영상에서 제안된 아이디어와 같이, 불량을 회피하고 정상 부분만을 활용한다는 점에서 유사합니다.
  • 관련 논문

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정리

영상에서 제시된 아이디어는 매우 혁신적이지만, '불량을 우회하고 예비 자원을 활용하여 수율을 높인다'는 기본 개념은 이미 반도체 업계에서 활발히 연구되고 특허로 출원된 분야입니다.

다만, 기존 기술들이 주로 개별 TSV나 메모리 셀 단위의 정적인(static) 리페어에 초점을 맞춘다면, 영상의 기술은 메모리 컨트롤러를 통해 채널 단위의 문제를 동적으로(dynamic) 우회한다는 점에서 더 진보된 접근 방식으로 볼 수 있습니다. 이는 특히 HBM과 같이 채널 구조가 중요한 고대역폭 메모리에서 더욱 효과적일 수 있습니다.