[초점] 중국 반도체 업계, SK하이닉스 메모리 칩 경쟁력 주목

미국이 중국 반도체 산업을 본격 규제하면서 중국은 나름 활로를 찾기 위해 방안을 찾고 있다. 이런 가운데 중국은 다양한 전략을 수립 중이지만 특히 자국에서 사업을 하는 SK하이닉스의 메모리 분야 경쟁력 강화를 배우려고 한다.


고성능 반도체에 대한 수요가 늘어나면서 반도체 시장에서도 ‘패키징 공정’ 중요성이 점점 더 커지고 있다. SK하이닉스는 이러한 발전 추세에 맞춰 HBM 기반 첨단 패키징 제품 양산과 차세대 패키징 기술 개발을 위해 생산라인 투자와 자원 확보에 최선을 다하고 있다.
SK하이닉스의 패키징 기술 발전을 돌이켜보면 큰 우위를 보이지 못했다. 하지만 성능 경쟁이 본격화되자 패키징 기술 개발에 주력, 범프 상호연결과 와이어 본딩을 결합한 CoC(chip-on-chip) 기술에서 획기적 성과를 달성한 것으로 알려졌다. 동작 속도를 높이고 비용을 줄이는 효과를 보았다.

현재 이 기술은 SK하이닉스의 고밀도 모듈 생산 및 양산에 독점 적용되고 있다. 또한, MR-MUF(Mass Reflow Molded Underfill) 기술을 개발해 HBM 제품에 적용했다. 이 기술은 HBM의 10만 개 이상의 마이크로 범프 상호 연결의 우수한 품질을 보장한다.

이 패키징 기술은 열전도율이 높은 성형 언더필 소재로 인해 경쟁 제품보다 우수한 열 성능을 제공하면서 열 범프의 수를 늘린다. 이 기술의 적용으로 HBM 시장에서 SK하이닉스의 입지가 강화되었고 SK하이닉스가 HBM3 시장에서 선도적인 위치를 차지할 수 있게 되었다.

컨버전스 흐름에 착안, 솔더링 대신 Cu-to-Cu(구리-구리) 본딩을 사용하는 하이브리드 본딩 기술을 적극적으로 개발하고 있다. 팬아웃 RDL(fan-out redistribution layer) 기술 등 다양한 패키징 기술을 도입하는 방안도 연구 중이다.

하이브리드 본딩 기술은 피치를 더욱 줄일 수 있는 동시에 갭리스 본딩(Gapless Bonding) 기술로 칩 적층 시 솔더 범프(Solder Bump)를 사용하지 않아 패키지 높이 측면에서 더 유리하다.

또한, 팬아웃 RDL 기술은 여러 플랫폼에 적용 가능하며, 이 기술을 칩렛 기술 기반의 통합 패키징에 활용할 계획이다. 라인피치(Line Pitch)와 다층(Multi-Layer)은 팬아웃 기술의 핵심 요소로, 2025년까지 RDL 기술을 서브미크론 수준으로 확보할 계획이다.

챗GPT 이슈로 HBM 주문이 늘고 있다. HBM(High Bandwidth Memory, 고대역폭 메모리) 기술은 D램이 기존의 2D에서 입체 3D로 발전하면서 D램 3D로의 길을 열어준 대표적인 제품이라고 할 수 있다.

HBM은 주로 단일 패키지에서 처리량을 높이고 대역폭의 한계를 극복하기 위해 칩 적층에 TSV(through-silicon via) 기술을 사용한다.

기술적 관점에서 볼 때 HBM은 반도체 산업 소형화 및 집적화 발전 추세에 따라 공간을 최대한 활용하고 면적을 줄이며 메모리 용량 및 대역폭의 병목 현상을 돌파하는 것으로 간주되는 차세대 D램 솔루션이다.

다른 D램에 비해 HBM은 여러 D램을 수직으로 연결하여 데이터 처리 속도를 크게 향상한다. CPUㆍGPU와 함께 작동하여 서버의 학습 및 컴퓨팅 성능을 크게 개선한다.

현재 SK하이닉스는 HBM 메모리 시장에서 가장 큰 우위를 점하고 있는데, 2013년부터 AMD와 협력해 HBM 메모리를 개발했고 전체 시장점유율은 60~70% 사이다. 엔비디아는 최근 SK하이닉스 HBM3 샘플의 성능 평가를 마쳤으며, 올해 3분기 출하를 시작할 예정인 엔비디아 시스템에 HBM3를 공급할 예정이다. 인텔도 SK하이닉스의 HBM을 탑재한 제품 판매에 박차를 가하고 있다.

업계 관계자는 “최고성능 D램 대비 HBM3 가격이 5배 이상 올랐다”고 말해 SK하이닉스의 매출과 영업 이익 개선 기대치를 올리고 있다.


인메모리 컴퓨팅(PIM)은 기존의 폰 노이만 아키텍처를 깨는 새로운 유형의 컴퓨팅 아키텍처로 스토리지와 컴퓨팅을 결합한다.

스토리지 유닛을 컴퓨팅에 직접 사용함으로써 기기 위치 이동, 한 형식에서 다른 형식으로 또는 한 애플리케이션에서 다른 애플리케이션으로 이동하는 데이터 마이그레이션으로 인한 오버헤드도 크게 제거한다.

전통 알고리즘을 실행하는 칩의 ‘저장 벽’ㆍ‘전력 소비 벽’을 AI 컴퓨팅의 효율성으로 수십 또는 수백 배 향상해 비용을 절감할 수 있다.


인메모리 컴퓨팅의 기본 개념은 1970년대 초반부터 제시되었지만 최근 몇 년이 되어서야 점차 사람들의 관심을 끌게 되었다. 인메모리 컴퓨팅은 최근 늘어나는 대용량 저장장치 문제를 높은 에너지 효율, 낮은 전력 소비, 낮은 비용을 달성할 수 있어 해결책으로 부상했다.

SK하이닉스는 올해 2월 컴퓨팅 기능을 탑재한 차세대 메모리 반도체 기술 개발을 발표했다. 그리고 향후 ‘메모리 중심 컴퓨팅’이 성공적으로 실현될 것으로 기대된다.

SK하이닉스는 자사 최초의 PIM 기술 기반 제품인 GDDR6-AiM(Memory Accelerator) 샘플도 개발했다. GDDR6-AiM은 16Gbps 데이터 전송 속도로 GDDR6 메모리에 연산 기능을 더한 제품이다.

GDDR6-AiM과 CPU, GPU를 결합한 시스템은 기존 D램과 비교해 특정한 컴퓨팅 환경에서 연산 속도를 최대 16배까지 높일 수 있다. GDDR6-AiM은 머신러닝, 고성능 컴퓨팅, 빅데이터 컴퓨팅, 스토리지 등의 분야에서 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

최근 SK텔레콤에서 분사한 AI 반도체 기업 세이피온(SAPEON)과 협력해 GDDR6-AiM과 AI 반도체를 결합한 기술도 선보일 계획이다. 또한, 데이터 연산, 비용 및 에너지 소비 측면에서 효율성을 극대화하기 위해 해당 연산 속성에 최적화된 알고리즘 기법에 대한 필요성이 증가하는 추세이다.


D램 칩의 경우 고급 제조 공정은 높은 에너지 효율성과 고용량, 더 나은 최종 사용 경험을 의미한다. 현재 10nm 수준의 고급 D램 공정 기술은 1x, 1y, 1z 및 1α 기술의 4세대를 거쳐 5세대에 도달했다.

세계 최초로 DDR5를 공식 출시한 SK하이닉스는 올해 초 세계 최초 DDR5 D램에 1α나노급 기술을 도입할 계획이다.

기존 수축 기술 시스템 한계로 인해 D램의 성능은 계속 개선되어야 하며 HKMG(high-k/metal gate)는 이러한 딜레마를 극복할 솔루션이 되었다.

이 신기술을 채택하고 새로운 1nm LPDDR5X D램에 적용함으로써 SK하이닉스는 저전력 설정에서도 트랜지스터 성능을 크게 향상했다. D램에 HKMG(high-k/metal gate) 기술을 채택함으로써 로직 트랜지스터 기술에서 가장 중요한 혁신이 이루어졌다.

HKMG를 사용하면 트랜지스터 게이트의 기존 SiON 게이트 산화물을 얇은 고유전율 필름으로 대체해 누설 전류를 방지하고 신뢰성을 낮출 수 있다.

또한, 두께를 줄임으로써 지속적인 스케일링이 가능하여 폴리실리콘/SiON 기반 트랜지스터의 누설을 크게 줄이고 속도 특성을 향상할 수 있다.

SK하이닉스는 HKMG 공정을 D램 공정에 적합한 형태로 통합해 플랫폼을 개발하고 있다. 극한의 기술적 난제에도 불구하고 HKMG 개발 및 양산에 성공했다. SK하이닉스는 SiON/Poly 게이트에서 구성 요소 HKMG 업그레이드로의 전환을 앞당겨 차세대 기술 노드 및 제품에 우수한 기술 혁신을 가져오는 것을 목표로 한다.

최근 HBM, PIM, AiM 등 로직 구조와 메모리 구조의 집적화에 혁신이 진행되고 있으며, HKMG 기술을 D램에 적용하는 것도 이 추세에 부합한다. 이는 반도체 제조 공정에서 로직 반도체의 첨단 기술 솔루션과 D램 공정 기술의 통합이 본격화되고 있음을 보여준다.


SK하이닉스는 2022년 8월 238단 512Gb TLC 4D 낸드플래시 메모리 개발 성공을 발표했고, 2023년 상반기 정식 양산에 들어갈 계획이다.

238단 낸드플래시 메모리는 업계 최소 면적을 달성하면서도 더 많은 층을 성공적으로 적층했다.

최근 ISSCC 2023 컨퍼런스에서 3D 낸드플래시 메모리 개발의 최신 돌파구발표도 있었다. 35명의 엔지니어로 구성된 팀이 시연을 위한 재료에 기여해 300개 이상의 층으로 쌓인 새로운 3D NAND 플래시 메모리 프로토타입을 만들었다고 말했다.

8세대 3D 낸드플래시 메모리는 배터리 문턱 전압 분포를 낮추고 tPROG를 10% 줄일 수 있는 TPGM(Triple Test Programming) 기능 도입 등 5가지 기술을 주로 활용해 성능을 높였다. 궁극적으로 서비스 품질과 읽기 성능이 향상되는 효과를 내었다.

다만, 8세대 3D 낸드플래시에 대한 일정을 제공하지 않았으며, 업계에서는 2024년 말 또는 2025년까지는 출시되지 않을 수 있다고 추정하고 있다.

한편, SK하이닉스의 7세대 238단 3D 낸드플래시 메모리는 2023년 출시 예정인 플래시 메모리 신제품 생산주기에 통합될 전망이다.


중국 반도체 산업계에서는 현재 반도체 산업이 미국의 규제와 경기 침체로 발전이 일시적으로 멈춘 상태이지만 SK하이닉스에서 보듯이 신기술, 과거에는 없던 기술을 만들어내는 근성이 시장을 밝게 한데서 보듯이 자신들의 고통도 일시적인 것으로 믿는다.

5세대 10나노급 D램 기술이든, 적층수가 더 많은 낸드플래시든, HBM, PIM 등 혁신 기술이든 고성능 제품에 대한 수요는 지속 가능한 발전 가능성을 보면서 SK하이닉스가 한 일을 중국이 못하리라고 생각하지 않는다.

메모리 시장에서 세계 2위인 SK하이닉스가 놀라운 기술력을 발휘하는 것은 결국 사람이고 연구개발이라고 판단하고, 중국 내부 인재 육성은 물론 해외 최고의 인재를 영입하는 데 우선순위를 부여하고 있다.

중국은 비록 지금 미국의 규제로 첨단 칩 생산 길이 막히고 있지만 메모리 칩에서 시간과 투자를 아끼지 않으면 2030년까지는 큰 성과를 낼 수 있을 것이라고 본다. 미국은 강한 나라이지만 빈틈도 곳곳에 있다는 확신을 가지고 장기전에 나섰다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com