‘AI 핵심’ HBM4 경쟁 전략 ‘극과 극’ 삼성전자 ‘단독’ vs 하이닉스 ‘동맹’ [대결! 일대다 (上)]

[한국금융신문 곽호룡 기자] AI 시대 메모리 성능의 핵심으로 떠오른 고대역폭메모리(HBM) 시장에서 삼성전자와 SK하이닉스가 정반대 전략으로 속도 경쟁에 돌입했다.

베이스 다이부터 후공정까지 삼성전자는 파운드리·장비를 아우르는 내재화 전략으로 기술 우위를 확보하겠다는 구상이다. 반면 SK하이닉스는 TSMC·한미반도체 등 외부 생태계를 총동원하는 개방형 협업 모델로 검증된 품질과 속도를 앞세우고 있다.

HBM은 AI 연산을 담당하는 GPU에 필요한 데이터를 일정 시간 안에 빠르게 전달하는 역할을 한다. GPU가 아무리 빠르게 계산해도 데이터를 제때 전달받지 못하면 병목이 발생한다. HBM은 다수 D램 칩을 수직 적층한 형태로 데이터 처리 속도를 혁신적으로 높인 구조다.
HBM을 구성하는 개별 D램 칩을 ‘코어 다이’라고 부른다. 특별히 가장 아래층에 위치한 칩을 ‘베이스 다이(로직 다이)’로 구분한다. 베이스 다이는 GPU와 직접 연결돼 신호를 해석하고 상위 코어 다이에 명령을 전달하는 핵심 역할을 수행한다.

HBM3E(5세대)까진 메모리 업체가 보유한 D램 공정으로 베이스 다이를 생산했지만, HBM4(6세대)부터는 속도와 전력효율 향상을 위해 최첨단 미세공정을 활용한 파운드리(위탁생산) 방식이 도입된다.

SK하이닉스는 HBM4 베이스 다이 생산을 대만 TSMC에 맡긴다. 고객이 요구하는 성능을 충족하기 위해선 TSMC와의 공정 최적화 협업이 필수라고 판단했기 때문이다. SK하이닉스는 TSMC 3나노미터(nm), 12nm 공정을 활용할 계획으로 알려졌다. 서버용 표준 제품은 12nm, 엔비디아 프리미엄 GPU나 구글 자체칩(TPU) 등 맞춤형 제품은 3nm 공정으로 제작될 전망이다.

반면 삼성전자는 자사 파운드리 4nm 공정을 이용해 HBM4 베이스 다이를 생산한다. 고객사와 가격, 물량 협상이 변수지만, SK하이닉스와 비슷한 가격만 확보해도 삼성전자는 내재화를 통해 상대적으로 높은 수익 구조를 만들 수 있다.

HBM 후발주자인 삼성전자는 기술력을 앞세워 고객사를 확보한다는 전략이다. 삼성전자는 HBM4 D램에 1c(6세대) 공정을 적용한다.
기존 HBM3E에 적용한 1b(5세대) 공정을 HBM4에도 유지하는 SK하이닉스보다 한 세대 앞선 공정을 택한 것이다.

지난 10월 두 회사가 공개한 HBM4 성능도 차이를 보인다.

삼성전자는 데이터 전송(I/O) 속도와 대역폭을 각각 최대 11Gbps, 초당 2.8TB 등으로 구체적으로 제시했다. SK하이닉스는 ‘10Gbps 이상’, ‘2.6TB 이상’으로 최소 수준만 공개했다. 최소 기준으로도 엔비디아의 강화된 성능 요구를 충족한다는 의미다.

업계 관계자는 “삼성전자는 수율 확보가 관건”이라며 “SK하이닉스는 HBM 선도 기업답게 안정적 공급을 우선시하는 의도가 읽힌다”고 말했다.

패키징(후공정) 전략도 두 회사가 크게 다르다. HBM에서 핵심 후공정은 적층된 D램을 결합하는 일종의 접착 과정이다. HBM4 20단 이상부터는 수율 안정화를 위해 하이브리드 본딩이 요구되지만, 그 이전 세대는 기존 기술을 유지할 가능성이 크다.

SK하이닉스는 납땜 이후 칩과 칩 사이 공간에 액체 보호재를 채우는 ‘MR-MUF 공법’을 사용한다. 이 과정 직전에 칩과 기판, 칩과 칩을 임시 고정하는 TC(열압착)본더 장비는 한미반도체, 한화세미텍 등에서 공급받는다. 배열이 조금이라도 어긋나도 불량이 발생하기에 HBM4용 TC본더는 대당 40억 원 수준의 고가 장비로 알려졌다.

SK하이닉스가 ‘목공풀을 바르는’ 방식이라면, 삼성전자는 ‘양면 테이프를 붙이는’ 방식으로 비유할 수 있다. 필름 형태 보호재를 층과 층 사이에 삽입해 열압착을 진행하는 ‘TC-NCF’ 방식이다. 삼성전자는 주로 자회사 세메스에서 TC본더를 공급받고 있다.

곽호룡 한국금융신문 기자 horr@fntimes.com