삼성전자, HBM4 로직 다이에 ‘2나노’ 도입 승부수…SK하이닉스·TSMC 동맹 정조준

삼성전자가 차세대 인공지능(AI) 반도체 시장의 주도권을 탈환하기 위해 ‘커스텀 HBM(맞춤형 고대역폭메모리)’의 핵심 두뇌인 로직 다이(Logic Die)에 2나노미터(nm) 파운드리 공정을 전격 도입한다. 이와 함께 HBM 제조의 난관으로 꼽히는 본딩(접합) 공정의 장비 공급망을 다변화해 생산 수율을 끌어올리는 ‘투트랙(Two-Track)’ 전략을 본격 가동했다.

트렌드포스와 디지타임스는 21일(현지시각) 삼성전자가 맞춤형 HBM 로직 다이 생산에 2나노 공정을 적용하고, 패키징 공정의 핵심인 열압착(TC) 본더 공급사로 싱가포르의 ASMPT를 유력하게 검토 중이라고 보도했다. 이는 경쟁사인 SK하이닉스가 파운드리 1위 TSMC와 협력해 로직 다이에 12나노 공정을 채택한 것에 맞서, 삼성전자가 자체 파운드리 기술력을 앞세워 엔비디아·AMD 등 글로벌 빅테크 고객사를 선점하려는 전략적 행보로 분석된다.


삼성전자는 올해 양산 예정인 6세대 HBM(HBM4)의 로직 다이에 4나노 공정을 적용한 데 이어, 차세대 제품군에는 2나노 공정을 도입하며 기술 격차 벌리기에 나섰다.

트렌드포스 분석에 따르면 삼성전자는 HBM4부터 기존 메모리 공정이 아닌 파운드리 초미세 공정으로 로직 다이를 생산한다. HBM의 최하단에 위치해 적층된 램을 제어하는 로직 다이는 공정이 미세할수록 전력 효율과 데이터 처리 속도가 획기적으로 향상된다. SK하이닉스가 TSMC와의 협력을 통해 12나노 공정을 채택하며 ‘공정 안정성’과 ‘생태계 호환’에 방점을 둔 반면, 삼성전자는 4나노·2나노 초미세 공정으로 ‘압도적 성능’을 제공해 시장 판도를 뒤집겠다는 계산이다.
특히 삼성전자는 고객사의 요구에 맞춰 연산 기능을 직접 설계해 넣는 ‘커스텀 HBM’ 시장을 정조준했다. 엔비디아, AMD, 아마존웹서비스(AWS), 브로드컴, 오픈AI 등 초고성능 AI 가속기를 개발하는 빅테크 기업들이 주요 타깃이다. 반도체 업계 관계자는 “커스텀 HBM은 단순한 저장 장치를 넘어 시스템 반도체의 영역으로 진화하고 있다”며 “2027년 출시 예정인 7세대 HBM(HBM4E)부터는 2나노 공정과 하이브리드 본딩 기술의 결합 여부가 시장 주도권을 가를 분수령이 될 것”이라고 진단했다.


삼성전자는 공정 기술의 진화에 발맞춰 장비 공급망(SCM) 재편에도 속도를 내고 있다. 디지타임스는 삼성전자가 HBM 생산의 필수 장비인 열압착 본더(TCB) 공급사로 ASMPT를 추가하는 방안을 논의 중이라고 전했다.

그동안 삼성전자는 자회사인 세메스와 일본 신카와(Shinkawa)의 장비에 주로 의존해왔다. 그러나 HBM4 이후 칩 적층 단수가 높아지고 공정 난도가 급격히 상승함에 따라 ‘멀티 벤더’ 전략으로 급선회했다. ASMPT는 지난해 상반기 TCB 주문량이 전년 대비 50% 급증하고 글로벌 누적 설치 대수가 500대를 넘어서는 등 HBM 시장에서 검증된 기술력을 보유하고 있다.

특히 경쟁사인 SK하이닉스가 이미 ASMPT 장비를 대거 도입해 HBM 수율을 안정화한 점이 삼성전자의 전략 변화를 이끌었다. 삼성전자는 ASMPT와 열압착 비전도성 접착 필름(TC-NCF) 장비뿐만 아니라, 차세대 ‘플럭스리스(Fluxless) 본딩’ 장비 도입까지 협의 중인 것으로 알려졌다. 플럭스리스 본딩은 칩 접합 시 산화막 제거제인 플럭스를 사용하지 않아 잔여물에 의한 신호 간섭이나 불량을 원천 차단하는 첨단 기술이다.

전문가들은 삼성전자의 이러한 광폭 행보가 메모리(HBM), 파운드리(로직 다이), 패키징(AVP)을 모두 아우르는 유일한 종합 반도체 기업(IDM)으로서 ‘턴키’ 수주 경쟁력을 높일 것으로 평가한다. 다만 신규 장비 도입에 따른 공정 최적화는 시급한 과제다.

기존 세메스 장비와 새롭게 도입할 ASMPT, 베시(Besi) 장비 간의 호환성을 확보하고, 실제 양산 라인에서 경쟁사 이상의 수율을 조기에 달성해야 하기 때문이다. 반도체 패키징 전문가는 “TC-NCF 방식에서 칩과 칩을 직접 붙이는 하이브리드 본딩으로 넘어가는 기술 과도기에서 장비사별 시너지를 얼마나 빨리 내느냐가 관건”이라며 “삼성전자가 SK하이닉스의 독주 체제를 깨기 위해서는 2나노 로직 다이의 성능 입증과 함께 패키징 수율 안정이 필수적”이라고 지적했다.

삼성전자는 내년 HBM4E 양산을 목표로 차세대 기술 개발에 박차를 가하고 있으며, 이번 공정 및 공급망 혁신이 향후 AI 반도체 시장 점유율 확대의 결정적 계기가 될 전망이다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com