차세대 고성능 반도체 D램인 고대역폭 메모리(HBM)가 태풍의 중심이 되고 있다. AI, HPC 등의 영역에서 고성능 메모리 반도체 수요가 급증함에 따라, 주요 반도체 기업들은 HBM을 미래 먹거리로 삼고 경쟁력을 키우고 있다. 삼성전자와 SK하이닉스는 세계 메모리 반도체 산업을 주도하는 플레이어로서 HBM 개발에 박차를 가하는 추세다.
SK·삼성, HBM 시장 점유 확대되나
반도체 업계에서는 HBM에 장밋빛 미래가 걸려 있다고 확신한다. 챗GPT 같은 AI 분야 데이터 처리에 쓰이는 GPU에 HBM이 대거 탑재되기 때문이다. 증권가에서는 HBM이 D램 수요 회복을 이끌 견인차가 될 것이란 전망이 나온다.
김운호 IBK투자증권 연구원은 “옴디아는 HBM 시장이 향후 5년간 연평균 최소 40% 성장세를 지속할 것으로 예상한다”며 “내년에서 2026년까지 이어질 것으로 예상되는 반도체 업사이클 기간에서 D램의 역대 최대 매출 기록이 경신될 수 있을 것으로 전망한다”고 전했다. 이어 그는 AI라는 새 성장동력이 등장함에 따라 향후 D램 시장이 매출 1000억 달러 규모 시장으로 성장할 수 있다고 전망했다.
HBM 공급이 본격화하는 하반기부터 주요 메모리 반도체 기업의 수익이 확대될 것이라는 전망이 나온다. KB증권은 삼성전자의 HBM3 공급 본격화 등으로 하반기 영업이익이 상반기보다 435% 증가할 것으로 내다봤다.
KB증권 김동원 연구원은 “삼성전자의 D램·낸드 재고 감소 등으로 3분기 영업이익이 시장 기대치를 35% 상회할 것”이라며 영업이익 추정치를 기존 대비 31.7% 상향조정한 2조3000억 원으로 전망했다. 이어 그는 “삼성전자는 턴키 체제를 구축한 유일한 업체인 만큼 향후 2년간 공급 부족이 예상되는 HBM 시장에서 신규 고객을 확대할 것”이라고 설명했다. 또한, “하반기 삼성전자의 예상 영업이익은 7조 원으로 상반기보다 435.7% 증가할 것”이라고 분석했다.
한편, HBM 시장 선두인 SK하이닉스와 2위 삼성전자의 점유율 격차가 줄어들 것이라는 전망이 나왔다. HBM은 D램 여러 개를 수직으로 연결해 쌓아 데이터 처리 속도를 끌어올린 메모리로, 인공지능(AI) 분야에서 쓰이는 GPU에 대거 탑재된다.
지난 8월 대만 시장조사업체 트렌드포스에 따르면, 지난해 글로벌 HBM 시장 점유율은 SK하이닉스 50%, 삼성전자 40%, 마이크론 10% 순이다. 트렌스포스는 올해 삼성전자의 클라우드 서비스 제공자(CSP) 수주 증가로 SK하이닉스와의 점유율 차이를 좁힐 것으로 예상했다. 그러면서 HBM 시장에서 SK하이닉스와 삼성전자 모두 올해 46∼49%, 내년 47∼49%로 비슷한 점유율을 차지할 것으로 추산했다.
SK하이닉스와 삼성전자의 HBM 시장 점유율 전망치를 합치면 95% 수준이다. 트렌드포스는 “SK하이닉스가 현재 엔비디아 서버 GPU의 주요 공급업체로 HBM3 생산에서 선두를 달리지만, 삼성전자는 다른 CSP의 수주를 충족하는 데 주력하고 있다”고 설명했다. 이와 함께 “마이크론은 두 한국 기업의 공격적인 사업 확장에 향후 2년간 시장 점유율이 소폭 하락할 수 있다”며 마이크론의 HBM 시장 점유율이 올해 4∼6%, 내년 3∼5%로 내려갈 것으로 전망했다.
HBM 수요는 3세대인 HBM2e에서 4세대인 HBM3로 옮겨가는 추세다. 지난해 수요 비율은 HBM2e가 70%로 압도적이고 HBM3는 8%에 불과했다. 그러나 트렌드포스는 HBM3를 채택한 칩이 잇따라 시장에 출시되면서 올해 HBM2e 50%·HBM3% 39%, 내년 HBM2e 25%·HBM3 60%로 판도가 바뀔 것으로 예상했다.
HBM은 4세대 HBM3에 이어 5세대 HBM3e, 6세대 HBM4 순으로 개발된다. SK하이닉스와 삼성전자는 5세대와 6세대 제품 양산을 준비하고 있다. 최근 엔비디아는 HBM3e를 탑재한 차세대 AI 칩 ‘GH200 그레이스 호퍼 슈퍼칩’을 선보이며 내년 2분기에 이 슈퍼칩을 생산하겠다는 계획을 밝혔다.
HBM에 사활 거는 SK·삼성
삼성전자와 SK하이닉스는 DDR5와 HBM 등 고성능 D램 개발에 역량을 집중하고 있다. DDR5가 적용되는 신형 중앙처리장치(CPU) 출시 등에 힘입어 D램 시장 주력 제품은 DDR4에서 DDR5로 세대교체가 이뤄지고 있다.
양사는 이런 추세에 발맞춰 범용 제품인 DDR4 생산은 줄이고, DDR5 위주로 투자를 늘려 주도권을 잡겠다는 구상이다. 옴디아에 따르면, 전체 서버용 D램에서 DD5가 차지하는 출하량 비중은 올해 23%에서 내년 63%로 급증할 전망이다. 옴디아는 2027년에 DDR5 비중이 99%에 달할 것으로 전망했다.
무엇보다 AI 열풍을 탄 HBM은 반도체 기업들의 새로운 돌파구다. SK하이닉스는 2021년 세계 최초로 4세대 제품인 HBM3를 개발했으며 지난해에는 양산에 성공했다. 올해 4월에는 세계 최초로 24GB 12단 HBM3 신제품을 개발했다.
지난 8월 SK하이닉스는 AI용 초고성능 D램 신제품인 ‘HBM3E’ 개발에 성공하고, 성능 검증 절차를 위해 고객사인 엔비디아에 샘플을 공급하기 시작했다고 밝힌 바 있다. HBM은 1세대(HBM)-2세대(HBM2)-3세대(HBM2E)-4세대(HBM3)-5세대(HBM3E) 순으로 개발된다. HBM3E는 HBM3의 확장 버전이다.
SK하이닉스는 “HBM3를 독점적으로 양산해온 경험을 바탕으로 세계 최고 성능이 구현된 HBM3E를 개발하는 데 성공했다”며 “내년 상반기부터 HBM3E 양산에 들어가 AI용 메모리 시장에서 독보적인 지위를 확고히 하겠다”고 강조했다. SK하이닉스가 개발한 HBM3E는 초당 최대 1.15TB 이상의 데이터를 처리한다.
이는 풀HD급 영화 230편 이상 분량의 데이터를 1초 만에 처리하는 수준이다. 이와 함께 어드밴스드 MR-MUF 최신 기술을 적용해 제품의 열 방출 성능을 기존 대비 10% 향상시켰다. MR-MUF 공정은 반도체 칩과 칩 사이 회로를 보호하기 위해 액체 형태의 보호재를 공간 사이에 주입하고 굳히는 공정을 말한다.
HBM3E는 하위 호환성도 갖춰 HBM3를 염두에 두고 구성한 시스템에서도 설계나 구조 변경 없이 신제품을 적용할 수 있다. 이안 벅 엔비디아 하이퍼스케일·HPC 담당 부사장은 “엔비디아는 최선단 가속 컴퓨팅 솔루션용 HBM을 위해 SK하이닉스와 오랜 기간 협력을 지속해왔다”며 “앞으로도 차세대 AI 컴퓨팅을 선보이고자 HBM3E 분야에서 양사 간 협업이 계속되길 기대한다”고 밝혔다.
류성수 SK하이닉스 D램상품기획담당 부사장은 “HBM3E를 통해 AI 기술 발전과 함께 각광받는 HBM 시장에서 제품 라인업의 완성도를 높이며 시장 주도권을 확고히 하게 됐다”며 “앞으로 고부가 제품인 HBM 공급 비중이 계속 높아져 경영실적 반등 흐름이 가속화될 것”이라고 말했다.
한편, 삼성전자는 지난 7월 2분기 실적 컨퍼런스콜에서 “삼성전자는 HBM 시장 선두업체로, HBM2를 주요 고객사에 독점 공급했고, 후속으로 HBM2E 제품 사업을 원활히 진행하고 있다”며 “HBM3도 업계 최고 수준의 성능과 용량으로 고객 오퍼가 진행 중”이라고 설명했다. 삼성전자는 8단 16GB와 12단 24GB 제품을 주요 클라우드 업체 등에 제공했으며 24GB 기반 HBM3P 제품도 하반기 출시 예정이다.
삼성전자는 향후 HBM 생산 계획 등에 대해서도 상세하게 설명하며 경쟁력을 거듭 강조했다. 김재준 메모리사업부 부사장은 “올해는 전년 대비 2배 수준인 10억GB 중반을 넘어서는 고객 수요를 이미 확보했고, 하반기 추가 수주에 대비해 생산성 확대를 위한 공급 역량을 확대하고 있다”며 “내년 HBM 캐파는 올해 대비 최소 두 배 이상 확보 중”이라고 강조했다.
정기봉 파운드리사업부 부사장도 “AI칩은 HBM 메모리와 하나의 칩으로 패키징되면서 이를 가능하게 하는 어드밴스드 패키징 기술이 중요해지며, 고객은 일련의 과정을 하나의 업체에 맡기고 싶어 한다”며 “삼성전자의 강점은 게이트올어라운드(GAA) 공정, 메모리 HBM, 어드밴스드 패키징 기술을 모두 보유했다는 점”이라고 말했다.
정 부사장은 “이 같은 강점을 극대화하기 위해 EDA(전자설계자동화), IP(설계자산), 기판 테스트 분야의 에코시스템 파트너와 함께 MDI 얼라이언스를 지난 6월 출범해 고객이 원하는 원스톱 올인원 서비스를 적시에 제공한다는 전략”이라고 설명했다.
HBM 기술에 대한 설명도 상세히 풀어놨다. 김 부사장은 “최첨단 NCF(논컨덕티브필름) 소재를 개발해 현재 양산 중인 HBM3 제품에 적용 중”이라며 “HBM은 고속 동작하는 특성상 발생 열을 밖으로 잘 방출하도록 칩 간극을 줄이는 게 중요한데 NCF는 이에 효과적”이라고 소개했다.
이어 그는 “이를 기반으로 HBM 12단 제품에 칩 간극을 줄이고 서버 특성 향상에 유리한 세계 최고 7마이크로 기술을 적용해 양산 중”이라며 “12단 HBM부터 칩 휘어짐에 기인한 기술적 문제가 발생할 수 있는데 NCF 기술은 칩 휘어짐을 용이하게 제어할 수 있다”고 강조했다. 경계현 삼성전자 디바이스솔루션(DS)부문장(사장)도 최근 “우리의 HBM3 제품이 고객사로부터 우수하다는 평가를 받고 있다”며 “삼성 HBM 제품의 시장 점유율이 여전히 50% 이상”이라고 밝힌 바 있다.
헬로티 서재창 기자 |
