낸드·HBM 위로 쌓는다…삼성, 업계 첫 3D 메모리 zHBM 공개(종합)

[이데일리 김소연 기자] 삼성전자가 인공지능(AI) 칩 위에 메모리를 수직 적층하는 차세대 아키텍처를 처음 공개했다. 고대역폭메모리(HBM)와 낸드플래시를 기반으로 한 차세대 3D 메모리 기술을 처음 선보이며 AI 시대 메모리 혁신 방향을 제시했다.

삼성전자는 4~6일(현지시간) 미국 캘리포니아주 산타클라라 컨벤션센터에서 열리는 ‘FMS(Future of Memory and Storage) 2026’에 참가해 차세대 3D 메모리 아키텍처인 zHBM과 zNAND-O의 목업(Mock-up)을 업계 최초로 공개했다.

4일(현지시간) 미국 실리콘밸리에서 열린 'FMS 2026'에서 김경륜 삼성전자 D램개발실 상무가 발표를 하고 있는 모습(사진=삼성전자)

김경륜 삼성전자 D램개발실 상무는 기조발표를 통해 3D 아키텍처인 zHBM을 공개했다. 김 상무는 “기존 패키징 구조로는 가속기 칩과 메모리 간 물리적 한계인 ‘메모리 장벽’이 존재한다”며 “고객사들이 10배 높은 메모리 성능을 요구하고 있는데, 이를 충족하려면 HBM4·HBM5와 같은 기존 2.5D 구조로는 한계가 있다”고 설명했다.

이에 삼성전자는 zHBM을 대안으로 제시했다. zHBM은 기존에 AI 가속기(xPU) 옆에 고대역폭메모리(HBM)를 배치하는 방식에서 한 단계 더 나아가 AI 가속기 상단에 HBM을 수직 적층한다. 그래픽처리장치(GPU) 위에 HBM을 얹는 형태다. AI 가속기와 메모리 간 데이터 이동 거리를 최소화함으로써 대역폭과 전력효율을 높일 수 있다는 설명이다.

zHBM 설명. (사진=삼성전자)

zHBM이 적용된 차세대 인터페이스 시스템은 HBM5 대비 최대 8배 높은 성능을 제공한다. 아울러 xPU 위에 HBM을 수직 적층하는 3D 아키텍처 특성상 더욱 중요해진 발열 문제를 잡기 위해 열 저항을 HBM5 대비 절반 이상 낮췄다는 게 삼성전자의 설명이다.

zHBM은 고객 맞춤형 설계가 가능한 제품으로, 삼성전자는 고객과의 협업을 바탕으로 AI 프로세서와 메모리 간 최적화를 추진해 zHBM의 성능을 극대화할 계획이다.

삼성전자는 낸드에서도 3D 메모리 아키텍처 비전을 제시했다. z낸드-O는 삼성전자가 개발 중인 차세대 고성능 낸드플래시 솔루션이다. 기존 V-낸드의 수직 적층 기술을 활용하고 실리콘관통전극(TSV) 기술을 결합해 4단 또는 8단 반도체 칩을 3D 패키징한 제품이다. 여러 개의 V-낸드 칩을 수직으로 적층하는 3D 패키징 기술을 적용했다.

z낸드-O는 온디바이스 AI 환경에서는 제한된 공간 안에서도 높은 성능과 전력 효율을 구현할 수 있는 저장장치 역할을 한다. 제품명 끝의 ‘-O’는 온디바이스 AI 환경에 최적화된 제품임을 뜻한다. 사용자는 AI 서비스에 필요한 기능을 클라우드 연결 없이 기기 안에서 모두 구현할 수 있다.

4일(현지시간) 미국 실리콘밸리에서 열린 'FMS 2026'에서 이진엽 삼성전자 Flash개발실 부사장이 발표를 하고 있는 모습(사진=삼성전자)

이진엽 플래시개발실 부사장은 기조연설에서 “에이전틱 AI 도입이 빠르게 이뤄지고 있다”며 “AI는 더 큰 메모리 저장 용량을 필요로하고, AI 시스템이 처리해야 할 데이터도 급격히 늘어나고 있다”고 설명했다. 이 부사장은 업계 최초로 수직 적층 400단 이상의 10세대 V-낸드 ‘V10 BV-낸드’를 공개했다. 삼성전자가 13년 전 같은 행사에서 세계 최초로 V-낸드 기술을 발표한 이래 기술 혁신의 성과를 보여준 것이다.

V10 BV-낸드는 400단 이상의 초고적층 구조를 기반으로 성능과 전력효율을 높였다. 메모리 집적도를 전 세대(V9) 대비 약 58% 향상시켜 동일한 면적에 더 많은 데이터를 저장할 수 있다.

아울러 △HBM4E △HBM5 △LPDDR5X-PIM △PM1763 등 고성능 컴퓨팅과 AI 데이터센터에 최적화된 차세대 메모리·스토리지 솔루션도 선보였다. 특히 현장에서는 삼성전자가 세계 최초로 개발한 제품인 LPDDR5X-PIM 대한 업계 전문가들의 관심을 끌었다. LPDDR5X-PIM은 메모리 처리(PIM) 기술을 통합함으로써 메모리 내부에서 특정 AI 연산을 직접 수행해 데이터 이동을 최적화하고 전력 효율을 향상시킨 저전력 D램이다.

삼성전자 zHBM 목업 (사진=삼성전자)

삼성전자의 LPDDR5X-PIM을 FMS2026에서 전시했다. (사진=삼성전자)