삼성·SK하이닉스, HBM 용량 확대…차세대 패키징 기술 개발 속도

인공지능(AI)과 고성능 컴퓨팅(HPC) 시장 확대로 고대역폭 메모리 HBM(High Bandwidth Memory) 수요가 늘고 있다. 여러 개의 D램을 수직으로 연결해 데이터 처리 속도를 대폭 강화한 고성능 메모리인 HBM이 D램 시장의 새로운 호재가 될 전망이다. 현재 HBM 시장을 주도하는 업체는 SK하이닉스와 삼성전자다.

HBM은 기존 반도체와 달리 여러 칩을 붙여 완성되며, 이 과정에서 각광받는 기술이 'TSV (Through Silicon Via)'라는 패키징인데 HBM 생산능력(CAPA)을 늘리려면 이 TSV 생산능력도 함께 커져야 한다. TSV는 실리콘 관통 전극으로, 2.5D 패키징에서 중요한 역할을 한다. 이 기술은 D램에 수천개의 구멍을 뚫어 상·하층 칩을 수직으로 관통하는 전극으로 잇는 기술이다. 이 기술을 바탕으로 D램에 비해 높은 데이터 전송 대역폭을 확보할 수 있다.

삼성전자와 SK하이닉스 모두 HBM 공정 비용 절감 방안을 고심하고 있다. 현재 삼성전자와 SK하이닉스는 HBM을 절반만 패키징한 상태로 대만 TSMC에 납품하고 있다. TSMC가 이 칩을 받아 HBM과 로직칩을 인터포저(Interposer)에 붙이고 이 인터포저를 칩 기판에 다시 직접 붙이는 방식으로 HBM 탑재가 완성된다.

삼성전자는 내부적으로 TSMC의 2.5D 인터포저를 대체할 수 있는 기술을 연구개발 중이다. 삼성전자는 차세대 2.5D 패키징 솔루션 ‘H-Cube(Hybrid-Substrate Cube)’를 개발하고, 고성능 반도체 공급을 확대하고 있다.

SK하이닉스는 세계 최초로 HBM3를 개발하고 양산에 성공했다. 이는 1세대(HBM), 2세대(HBM2), 3세대(HBM2E)에 이은 4세대 제품이다. 올해 4월에는 세계 최초로 24GB 12단 HBM3 신제품을 개발했다. SK하이닉스는 HBM3의 후속 제품인 HBM 5세대 제품 HBM3E 양산도 준비하고 있다. 엔비디아는 최근 HBM3E 샘플을 SK하이닉스에 요청했다.

삼성전자 역시 HBM 사업에 힘을 싣고 있다. 삼성전자는 업계 최고 6.4Gbps의 성능과 초저전력을 기반으로 하는 HBM3 16GB와 12단 24GB 제품 샘플을 출하 중이며 이미 양산 준비를 완료했다. 또 차세대 HBM3P 제품도 하반기 출시 예정이다. 삼성전자는 올해 10억Gb(기가바이트) 중반을 넘어서는 고객 수요를 이미 확보했다고 밝혔다.

두 기업은 HBM의 기술력을 놓고 기싸움을 벌였다. 삼성전자는 "HBM 시장의 선두업체"라고 강조했고, SK하이닉스는 "타임 투 마켓(빠른 시장 대응 능력) 관점, 제품 완성도, 양산 품질, 필드 품질을 종합해 가장 앞서고 있다"고 밝혔다.

SK하이닉스는 청주 팹(fab) 증설이 유력하다고 하다. 이는 생성형 AI 열풍을 타고 최근 주문이 급증한 HBM 생산량을 늘리기 위한 것으로, AMD향 HBM 양산용으로 추정된다.

삼성전자는 천안사업장의 HBM 양산에 필요한 2.5D 패키징 생산라인을 증설하고 있는 것으로 알려졌다. 발주 규모는 기존 장비 대비 1.5~2배 많은 것으로 전해졌다.

시장조사업체 트렌드포스에 따르면, HBM 시장 규모가 올해부터 2025년까지 연평균 최대 45% 넘는 증가율을 보일 것으로 전망된다. 이는 AI시대가 본격화할수록 쓰임새가 급증할 것으로 예상되기 때문이다.

시장조사업체 프리시던스 리서치(Precedence Research)는 AI시장이 지난해 1198억 달러(약 158조 원)에서 연평균 38.1%씩 성장해 오는 2030년 1조5910억 달러(약 2102조 원)까지 성장할 것이라고 내다봤다.

AI 서버 출하량은 올해 전년 대비 38.4% 늘어나 세계 시장에 약 120만대가 출하될 것으로 예상된다. 이는 AI 서버의 성장세로 HBM 역시 가파른 우상향 곡선을 그릴 것이라는 관측이다.

삼성전자와 SK하이닉스는 2분기 영업적자 폭을 줄이고 하반기 본격적인 업황 회복에 대한 기대감을 키웠다. 메모리 시장의 재고 감소와 가격하락폭 둔화, 인위적 감산 효과 등이 영향을 미쳤다.

삼성전자는 올해 2분기 연결기준 매출과 영업이익이 각각 60조100억 원과 6700억 원을 기록했다고 27일 밝혔다. 특히 DS(반도체) 부문은 2분기 매출 14조7300억 원과 영업손실 4조3600억 원을 기록했다. 1분기보다 매출은 1조 원 늘었고, 영업손실은 2200억 원 줄었다.

전날 2분기 영업실적을 발표한 SK하이닉스는 매출 7조3059억 원과 영업손실 2조8821억 원을 기록했다. 전 분기 대비 매출은 2조2200억 원 늘었고, 영업손실은 5200억 원 감소했다

HBM 시장은 AI시대의 도래와 함께 빠르게 성장하고 있다. 삼성전자와 SK하이닉스는 HBM 시장에서 치열한 경쟁을 벌이고 있으며, 기술 개발과 투자를 확대하고 있다. 두 회사는 HBM 시장에서 경쟁력을 유지하고, 시장을 선도하기 위해 노력할 것으로 전망된다.


홍정화 글로벌이코노믹 기자 noja@g-enews.com