반도체 기술 탐구: DDR5 업데이트

DDR5 시대 도래와 디램 수급의 변화

 

작년 말부터 DDR5 디램이 본격 양산되기 시작함에 따라 올해 디램 수급에 일부분 영향을 미칠 것으로 전망된다. DDR5에는 On-Chip ECC(Error Correction Code, 오류 정정 회로)가 내장되어 있어 기존 DDR4 대비 칩 사이즈가 15~20% 커질 것으로 알려 져 있기 때문이다. 공정, 용량, 수율이 동일하다고 가정해도, 이론적으로는 칩 사이즈가 증가한 만큼 다이 패널티(Die Penalty)가 발생해 동일 면적의 웨이퍼에서 생산되는 칩의 수가 감소하게 된다.

 

 

DDR5의 표준 스펙은 2020년 7월, 표준기구인 JEDEC에서 최종 확정됐다. 이로부터 1년 이상 시간이 흘렀고, DDR5를 지원하는 CPU가 작년 11월에 출시되었다. 디램 공급자들은 샘플 공급을 위해 4분기 양산을 시작했으며, 올해에는 본격적 으로 DDR5 비중이 증가할 것으로 기대된다.

 

 

DDR5는 DDR4 대비 속도가 약 2배 빠르고, 전력소모도 줄였다. DDR4의 최대 대역 폭이 3,200Mbps였는데, DDR5는 이보다 최소 50% 이상 증가한 4,800Mbps 이상의 대역폭이 예상된다. 이러한 대역폭을 실현하려면 동일한 시간 단위 내에서 처리되는 데 이터의 양을 2배로 늘려야 한다.

 

DDR5 메모리는 이를 위해 먼저 8뱅크 그룹에 기반하 는 32뱅크 구조를 채택해 16뱅크 구조를 채택한 DDR4보다 뱅크 수가 2배 많다. 뱅크는 하나의 채널 안에서 하나 또는 그 이상의 메모리의 논리적 묶음을 말하는데, 이러한 뱅크 규모가 확장되면서 메모리 대역폭을 2배 이상 늘릴 수 있게 됐다. 또한, DDR5는 1.1V의 구동 전압을 사용해 DDR4의 1.2V 대비 0.1V를 낮추면서 대역폭당 전력 소비 량이 20% 이상 줄어들었다.

 

 

DDR5는 각 칩이 ECC를 내장하고 있으며, 모듈 레벨에선 DDR4보다 1개 더 많은 2개의 외부 ECC를 채택했다. DDR5는 8개의 칩과 2개의 컨트롤러로 실행되어 총 80bit 의 인터페이스를 보여하고 있으며, 이를 통해 보안성과 안정성이 대폭 강화됐다. DDR5 는 80bit 인터페이스를 위해 8개의 칩과 2개의 컨트롤러에서 실행되는 반면, DDR4는 8개의 칩과 1개의 외부 ECC로 구동된다는 점에 있어 차이가 있다.

 

시장조사업체 옴디아에 따르면, DDR5는 작년 1.1% 점유율을 시작으로 올해는 10.7%, 2024년에는 43.3%를 차지, 메모리 시장 대세로 전환될 전망이다. 또한, 높은 서버용 제품의 침투율에 힘입어 내년 3분기면 DDR5 비중이 DDR4을 뛰어넘을 것으로 내다봤다. DDR4가 이전 규격의 비중을 넘어서는데 9분기를 소요했던 것에 비하면 빠른 수준이다.

 

서버용 DDR5 시장 개화는 주요 메모리 제조사 실적 개선에도 긍정적이다. DDR5 D램 가격은 DDR4 대비 30% 높다. 그만큼 메모리 제조사 수익 향상에 기여할 것으로 평가된다. 

 

삼성전자의 경우, 서버용 D램은 삼성의 D램 전체 매출 가운데 40% 안팎을 책임지고 있다. PC용 D램보다 고부가가치여서 수익성도 좋다. 삼성이 지난해 4분기 당초 제기된 부정적인 업황 우려에도 불구하고 13조8000억원의 영업익을 거둔 배경이다.

여기에 더해 DDR5 규격이 개선된 선단공정을 적용하는 등 이유로 수익성이 극대화할 것으로 전망된다. 삼성의 경우, DDR5를 업계 최소 선폭인 14나노(㎚, 1나노미터는 10억분의 1ｍ) EUV(극자외선) 공정에서 만들고 있다. 직전 세대보다 생산성을 20% 개선했다.

 

 

DDR5 지원 CPU의 본격적 출시

 

인텔은 지난 11월 Client PC용 CPU인 엘더레이크(Alder Lake)를 출시했는데, 이 CPU는 DDR4와 DDR5를 모두 지원할 수 있도록 설계되어 있어 DDR5 시장을 급격히 키우는데 기여하지는 못할 것으로 판단된다. 오히려 엘더레이크가 주목받는 이유는 최초의 하이브리드 형태의 제품이라는 점이다. 고성능을 담당하는 P-코어와 저성능을 담당하는 E-코어가 결합된 형태로, ARM의 Big.LITTLE 구조와 유사하다.

 

 

 

이보다 기대를 걸고 있는 제품은 2022년 올해 2분기 양산 예정인 데이터센터용 CPU인 사파이어래피즈(Sapphire Rapids)다. DDR5의 가장 큰 특징은 대역폭이 최소 50% 이상 커져 시스템의 성능이 향상되는 것인데, Client PC에서는 일부 고성능 게임이나 그래픽 작업을 제외하고는 불필요한 것이다.

 

인텔은 올해 1분기에 시범 생산에 돌입, 2분기부터는 본격적인 양산을 시작할 것이란 입장을 밝혀왔다. 최근 일본의 미즈호 증권 등에서 사파이어래피즈 출시 연기 가능성이 일부 제기됐지만 인텔은 지연설을 즉각 부정했다. 인텔 관계자는 "현재 생산 중에 있다"면서 "계획대로 올해 2분기 램프업(생산량 확대) 예정이다"라고 밝혔다.

상용화 시기를 두고 인텔과 삼성은 긴밀히 협력하고 있다. 지난해 3월 캐롤린 듀란 인텔 메모리&IO 테크놀로지 총괄은 "처리해야할 데이터 양이 기하급수적으로 늘어나면서 차세대 DDR5 메모리의 중요성이 대두되고 있다"며 사파이어 래피즈와 호환되는 DDR5 메모리를 선보이기 위해 삼성전자와 협력하고 있다고 밝혔다.

 

AMD도 2022년 상반기 내에 Zen4 기반의 신규 CPU를 출시할 예정인데, 이 역시 DDR5를 지원할 것으로 전망된다. 따라서, 올해 1 분기 말, 늦어도 2분기 중에는 서버 디램 수요가 되살아날 것으로 판단된다. 스마트폰 등 모바일 시장에서는 2019년부터 본격적으로 DDR5가 채택됐지만, PC와 서버 시장에서는 여전히 DDR4가 대세다. DDR5 메모리와 호환하는 CPU 부재로 교체 주기를 기다리던 중이었다.

 

 

 

최근 인공지능(AI)과 머신러닝(ML) 등 고속 데이터 처리가 필요한 데이터센터, 슈퍼컴퓨터, 기업용 서버 시장이 커지면서 고성능 DDR5 수요도 확대됐다. 올해 CPU 제조사들이 신규 CPU를 잇따라 내놓으면서 DDR5 시장 성장을 견인할 것으로 보인다.

 

 

메모리 겨울론?…삼성 매출 '300조' 예상

 

서버용 중심의 DDR5 확대와 더불어 업계에서는 지난해 3분기 제기된 '메모리 겨울론'이 우려만큼 심각하지 않다는 목소리가 나오고 있다. 가격 하락은 예상되지만 생산량이 기대 이상 늘어 부정적 영향이 상쇄될 것이란 분석에 기반한다.

증권사들은 삼성 메모리 부문의 개선이 예상되면서 실적 전망을 상향 조정하고 있다. 금융정보업체 에프엔가이드에 따르면 전날까지 집계된 삼성전자의 올해 연간 실적은 매출 305조9278억원, 영업익 57조9988억원이다. 연간 매출 279조원으로 최대 기록 세웠던 지난해 실적을 훌쩍 뛰어넘는 규모다.

메모리 시장에 대한 긍정 전망은 지난달 20일 미국 마이크론이 2022회계연도 1분기(지난해 9~11월) 실적을 발표하면서 본격화했다. 마이크론은 시장의 전망치를 상회한 매출 76억9000만달러(약 9조1400억원)를 발표했다. 마이크론은 실적발표 당시 "내년 메모리반도체 출하량이 크게 늘면서 역대급 실적을 예상한다"고 밝혔다.

 

 

 

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DDR5 내년 전망 및 관련 기업

 

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메모리 반도체 기술 변화 Trend: DDR5

 

 

출처: 한화투자증권, 전자신문, 머니투데이, 인텔, 삼성전자, SK하이닉스, Basic Tutorial

 

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