GDDR7 PAM3, 세 가지 전압으로 신호를 보내는 원리

북을 세게 치거나 약하게 치는 두 가지 소리만 쓰면, 멀리 있는 사람도 어렵지 않게 구분합니다. 여기에 중간 세기를 하나 더하면 같은 박자에 실을 수 있는 정보는 늘지만, 약한 소리와 중간 소리가 헷갈리는 순간도 생기죠.

오늘 다룰 GDDR7 PAM3 방식은 신호의 전압을 두 단계가 아니라 세 단계로 나눠서, 한 번의 박자에 더 많은 정보를 싣는 방법입니다. 그래픽 메모리가 데이터 길을 더 빠르게 만들려는 과정에서 나온 선택입니다.

비유와 다른 점도 있습니다. 전기 신호의 세기는 잡음과 반사, 타이밍 흔들림에 따라 값이 흔들리는 아날로그 양입니다. 그래서 단계를 늘릴수록 구분 여유가 줄고, 어디까지 늘릴지가 핵심 선택이 됩니다.

NRZ에서 시작하는 심볼 한 번의 정보량

고속 메모리 신호의 기본형은 NRZ(Non-Return-to-Zero)입니다. 높은 전압이면 1, 낮은 전압이면 0으로 읽는 두 단계 방식으로, 한 번의 박자인 심볼(Symbol)마다 1비트를 전달합니다.

두 단계라서 판정이 가장 쉽고 회로도 단순합니다. 대신 더 빠르게 보내려면 심볼 속도 자체를 높여야 하는데, 속도가 오를수록 배선과 커넥터에서 신호가 더 많이 약해지고 번지는 문제가 따라옵니다.

그래서 심볼 속도를 올리는 대신 심볼 한 번에 실을 정보를 늘리는 길이 나왔습니다. 전압 단계를 늘리는 이 방식을 PAM(Pulse Amplitude Modulation, 펄스 진폭 변조)이라 부릅니다.

눈 높이로 보는 레벨 수와 신호 마진

수신기는 신호가 지나간 흔적을 겹쳐 그린 눈 다이어그램(Eye Diagram)의 열린 정도로 판정 여유를 가늠합니다. 눈이 크게 열려 있을수록 잡음이 섞여도 틀리지 않고, 눈 높이가 곧 신호 마진입니다.

전체 전압 진폭이 같다고 하면, 레벨이 많을수록 눈이 여러 개로 쪼개져 각각이 작아집니다. 레벨이 L개일 때 눈은 L-1개이고, 눈 하나의 높이는 전체 진폭의 1/(L-1)입니다.

레벨이 하나 늘 때마다 정보량은 늘지만, 마진이 줄어드는 폭은 그보다 가파릅니다. 단계 수를 정하는 일은 정보량과 안정성 사이의 균형을 맞추는 문제입니다.

GDDR7 PAM3가 두 심볼에 3비트를 싣는 방법

PAM3는 전압을 세 레벨로 나눕니다. 이론적으로 심볼 하나에는 log2(3) ≈ 1.58비트를 실을 수 있어서, 비트를 정수 단위로 맞추기 위해 심볼을 묶어서 생각합니다.

널리 알려진 설명에 따르면 GDDR7은 두 개의 PAM3 심볼을 한 쌍으로 묶어 3비트를 전달합니다. 두 심볼이 만드는 조합이 3 × 3 = 9가지이고, 3비트가 표현하는 값은 2의 3제곱인 8가지라서 9가지 중 8가지를 쓰면 충분합니다.

이렇게 하면 심볼당 평균 1.5비트가 되어, NRZ보다 같은 심볼 속도에서 1.5배의 데이터를 보냅니다. 이론상 한계인 1.58비트의 약 95%를 쓰는 셈입니다.

실제 표준의 세부 매핑과 추가 코딩은 이 글에서 다루지 않고, 레벨 수와 마진의 관계라는 원리에 집중했습니다.

같은 전송률에서 심볼 속도가 낮아지는 효과

PAM3의 진짜 이점은 같은 데이터 속도를 더 느린 심볼 속도로 달성한다는 점입니다. 배선의 손실은 주파수가 높을수록 커지므로, 신호의 변화 속도를 낮추면 채널 부담이 줄어듭니다.

다만 이 이득은 앞에서 본 마진 손실과 맞바꾼 것입니다. 느려진 심볼 속도로 얻는 채널 여유가 눈 높이 감소를 상쇄할 만큼 크다고 판단될 때 다단계 신호가 의미를 갖습니다.

PAM3가 선택한 절충과 흔한 오해

PAM4는 심볼당 2비트로 가장 많은 정보를 싣지만 마진 손실이 가장 큽니다. GDDR7 PAM3는 정보량을 1.5비트로 줄이는 대신 마진 손실을 PAM4보다 작게 유지하는 중간 지점을 택한 것으로 설명됩니다.

PAM3는 레벨이 세 개이므로 심볼 하나에 3비트를 보낸다는 이해는 오해입니다. 3비트는 두 심볼을 묶었을 때의 값이고, 심볼 하나당으로는 평균 1.5비트입니다.

또 하나의 오해는 레벨이 늘어나면 속도가 그대로 빨라진다는 생각입니다. 마진이 줄어든 만큼 수신 회로의 판정, 등화, 타이밍 복원이 더 정교해야 하고, 그만큼 회로의 복잡도와 전력도 따라서 늘어납니다.

NRZ와 PAM3와 PAM4 비교 표

구분	NRZ	PAM3	PAM4
전압 레벨 수	2	3	4
심볼당 비트	1	평균 1.5 (두 심볼에 3비트)	2
눈의 개수	1	2	3
같은 진폭에서 눈 높이	V	V/2	V/3
NRZ 대비 이론상 마진	기준	약 6 dB 불리	약 9.5 dB 불리
같은 데이터 속도에서 심볼 속도	가장 높음	NRZ의 약 2/3	NRZ의 1/2
성격	마진이 가장 넉넉하고 회로가 단순	정보량과 마진의 절충	정보량이 가장 크고 마진이 가장 작음
흔한 오해	레벨이 많을수록 무조건 빠르다는 설명은 마진 손실을 빠뜨린 것입니다.

핵심 정리

GDDR7 PAM3는 전압을 세 레벨로 나누고 두 심볼에 3비트를 실어서, 같은 데이터 속도를 NRZ보다 낮은 심볼 속도로 달성하는 방식입니다. 대신 눈 높이가 줄어서 NRZ보다 마진이 불리해집니다.

PAM4보다 정보량은 적지만 마진 손실이 작은 중간 지점이라는 점이 PAM3의 자리입니다. 북의 세기를 몇 단계로 나눌지 정하듯, 레벨 수는 한 박자에 담는 정보와 구분의 여유를 맞바꾸는 선택으로 이해하면 됩니다.

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