'귀하신 몸' 삼성전자·SK하이닉스···다가온 '반도체 봄'에 반색

삼성전자, 올해 상반기 36GB 12H HBM3E 양산

마이크론 하이닉스도 상반기에···AI 주도권 치열

하이닉스는 HBM 독주···삼성은 맞춤형 제품 준비

AI(인공지능) 시대의 필수재로 꼽히는 HBM(고대역폭 메모리)을 두고 글로벌 메모리 3사의 각축전이 확대되고 있다. 삼성전자와 SK하이닉스, 마이크론 모두 5세대 제품을 올해 양산하겠다고 밝히면서다. 다만 마이크론의 기술력과 수율(완성품 중 양품 비율)은 양사 대비 저조한 것으로 평가돼 당분간 삼성전자와 SK하이닉스가 AI 시장의 메모리 산업을 이끌 전망이다.

삼성전자까지···메모리 빅3, "상반기에 HBM3E 양산"
지난 27일 삼성전자는 5세대 HBM인 36GB(기가바이트) HBM3E를 12단 적층해 상반기 안에 양산하겠다고 밝혔다. 5세대 HBM을 용량은 36GB로 키우고 적층 수를 12단까지 높인 건 삼성전자가 처음이다.

이 제품은 전작인 HBM3(4세대 HBM) 8H(8단 적층) 대비 성능과 용량 모두 50% 이상 개선됐다. 또 두께를 낮춰 업계 최소 칩간 간격을 구현해 전작 대비 수직 집적도를 20% 이상 향상시켰다. 삼성전자는 "이를 서버 시스템에 적용하면 HBM3 8H를 탑재할 때보다 AI 학습 훈련 속도를 평균 34% 향상시킬 수 있다"며 "추론의 경우에는 최대 11.5배 많은 AI 사용자 서비스가 가능할 것으로 기대된다"고 밝혔다.

삼성전자까지 올해 HBM3E를 양산하겠다고 공식 선언하면서 메모리 3사의 각축전이 확대되는 모양새다. 지난해 7월 HBM3E 샘플을 세계 최초로 양산한 미국 마이크론은 지난 26일(현지시간) "이제 대량 생산에 나선다"고 밝혔다. 또 곽노정 SK하이닉스 대표이사 사장은 최근 서울 중구 대한상공회의소에서 열린 '민·관 반도체 전략 간담회'에서 HBM3E를 "올해 상반기 안에 양산할 것 같다"고 말했다.

업계 최초 36GB HBM3E 12H D램. 사진=삼성전자 제공

HBM은 첨단 패키지 방식인 TSV(실리콘 관통전극) 기술로 여러 개의 D램을 수직으로 연결한 메모리 반도체다. 기존 HBM의 데이터 전송 통로(I/O)는 1000여 개에 불과하나 4세대 제품은 2000개 이상 증가해 물리적인 면적이 늘어나 데이터 처리 속도를 혁신적으로 끌어올릴 수 있다. 데이터 병목 현상이 발생하는 D램의 단점을 극복할 수 있는 것으로 코어수가 무수히 많아 동시 작업 속도를 높이는 GPU의 특성에 가장 적합한 메모리 평가되고 있다.

SK하이닉스, HBM 독주 체제···삼성은 파운드리 기대
HBM 시대를 이끌어가는 기업은 단연 SK하이닉스다. 이승우 유진투자증권 연구원은 "AI 학습용 GPU 수요가 폭발적으로 늘어나고 여기에 채택되는 HBM의 용량도 확장됨에 따라 HBM 총 공급물량은 지난해 약 3.5~4억GB에서 올해 12억GB 또는 그 이상으로 증가할 전망"이라고 전했다.

그러면서 "하지만 후발 경쟁사들의 HBM3 성과는 3개월 전의 기대치와 비교할 때 아직 기대에 다소 못 미치는 수준"이라고 평가하며 "HBM3와 HBM3E의 시장 지배적 공급자인 SK하이닉스의 실적 추정치를 상향 조정한다"고 덧붙였다.

SK하이닉스는 지난 2013년 세계 최초로 HBM을 개발한 데 이어 2019년에는 업계 최고속 HBM2E를 선보였다. 또 2021년에도 최초의 HBM3를, 지난해 4월에는 12단 적층 HBM3를 가장 먼저 선보이기도 했다. 이에 글로벌 D램 시장에서 삼성전자와의 점유율 격차를 지난해 1분기 18.1%포인트에서 3분기에는 4.4%포인트까지 좁힌 바 있다. 현재 이 기업은 사실상 엔비디아에 HBM을 독점 공급하는 것으로 알려졌다.

HBM 주도권을 빼앗긴 삼성전자는 메모리와 파운드리(위탁생산)의 시너지를 기대하고 있다. 한진만 삼성전자 DS부문 미주총괄(DSA) 부사장은 지난달 열린 CES 행사에서 "HBM 다이(반도체 칩이 되는 구간)를 파운드리 로직 공정을 사용해보면 어떨까 하는 식의 새로운 비즈니스가 나오고 있다"며 "메모리와 파운드리의 융합으로 파급력이 발생할 수 있는 기업은 오직 삼성전자뿐"이라고 말했다.

메모리와 파운드리 사업을 동시에 하는 삼성전자는 고객 요구에 맞는 맞춤형 HBM을 양산할 수 있다. 시스템LSI 사업부가 반도체를 설계하고 파운드리 사업부가 이를 만들어 어드밴스드패키징사업부가 패키징하는 식이다.

삼성전자는 지난달 31일 컨퍼런스콜에서 "HBM4의 경우 2025년 샘플링, 2026년 양산을 목표로 개발 중"이라며 "생성형 AI 성장과 함께 고객 맞춤형 HBM에 대한 요구가 증가하는 상황에서 표준제품뿐만 아니라 로직칩을 추가해 성능을 고객별로 최적화한 커스텀 HBM 제품도 함께 개발하고 있다"고 설명했다.

이어 "시스템 반도체 업체와의 협업이 중요해질 앞으로의 커스텀 HBM 시장에서 파운드리, LSI 사업부 및 어드밴스드 패키징 사업팀과의 종합 시너지를 강점으로 더욱 경쟁력 있는 시장 대응을 통해 업계를 선도하겠다"고 밝혔다.

업계에선 엔비디아 GPU를 삼성전자가 파운드리 할 수 있다는 분석도 나온다. 최근 블룸버그 산하 연구기관인 블룸버그인텔리전스(BI)는 찰스 슘 BI 애널리스트의 보고서를 인용해 "엔비디아의 올해 AI 반도체 열풍이 TSMC의 생산능력 벽에 부딪힐 수 있다"고 내다봤다. 엔비디아의 GPU는 TSMC가 독점 생산하고 있는데 AI 열풍이 불면서 TSMC가 엔비디아 칩만 생산하기 어려울 수 있다는 의미다.

강성철 한국반도체디스플레이학회 선임연구원은 "TSMC의 생산 경험이 많다 보니 엔비디아가 GPU 일감을 TSMC에 맡기고 있는 상황"이라며 "다만 삼성전자는 GAA(Gate-All-Around)도 도입한 만큼 기술력은 (TSMC와) 대등한 수준"이라고 말했다. 이어 "AI 칩 열풍에 엔비디아의 경쟁사가 삼성전자에 일감을 맡길 수 있다"며 "TSMC가 엔비디아 칩을 모두 생산할 수 없기에 엔비디아도 삼성전자에서 파운드리 할 수 있다"고 덧붙였다.