삼성전자, SK하이닉스, 마이크론 메모리 3사의 HBM3 납품 상황

시장 상황

 

"SK하이닉스, 삼성전자, 마이크론 중 가장 먼저 엔비디아의 인증을 통과하는 업체가 HBM3E 시장을 선점할 것입니다. 현재까지는 SK하이닉스가 앞서 있고, 삼성과 마이크론이 뒤쫓는 형국입니다."(반도체 업계 관계자)

 

SK하이닉스와 삼성전자, 미국 마이크론이 HBM3E 선점을 두고 치열한 눈치 싸움을 벌이고 있다. SK하이닉스가 HBM3 시장을 독점하고 있는 가운데, HBM 공급 부족 현상이 나오자 삼성전자와 마이크론이 차세대 시장인 HBM3E 시장에서 앞서가기 위해 총력을 기울이고 있다.

 

HBM은 1세대(HBM)·2세대(HBM2)·3세대(HBM2E)에 이어 4세대(HBM3) 제품이 공급되고 있으며, 올해부터 5세대(HBM3E) 양산을 앞두고 있다.

 

 

시장조사업체 트렌드포스는 2022년 800억달러, 2023년 518억달러였던 D램 업계 매출이 2024년 말 기준 842억달러로 증가할 것으로 추산했다.

아울러 이 기간 HBM 매출이 전체 D램 매출에서 차지하는 비중은 2.6%, 8.4%에서 20.1%로 상승할 것으로 예상했다.

트렌드포스는 "HBM의 높은 평균판매단가(ASP)와 수익성 때문에 메모리 부문에서 많은 투자가 이뤄졌다"며 "올해 HBM의 연간 비트그로스(비트 단위로 환산한 생산량 증가율)는 260%에 이를 것"이라고 전망했다.

현재 HBM 시장은 삼성전자와 SK하이닉스가 사실상 양분하고 있다. 4세대 HBM인 HBM3의 경우 SK하이닉스가 90% 이상을 점유했다.

 

그래픽= 지디넷코리아 박은주 디자이너

트렌드포스는 지난해 웨이퍼 기준 HBM 생산능력(캐파)을 삼성전자와 SK하이닉스 각각 월 4만5000장, 마이크론 월 3000장으로 집계했다.

이어 올해는 삼성전자 월 13만장, SK하이닉스 월 12만∼12만5000장, 마이크론 월 2만장 수준으로 각각 늘어날 것으로 예상했다.

메모리 제조사들이 HBM3E 세계 최초 양산을 두고 기싸움을 벌이고 있지만 사실상 아직까지는 엔비디아의 최종 퀄 테스트를 통과한 기업이 없는 것으로 알려졌다. 퀄 테스트를 가장 먼저 통과한 기업이 승기를 잡을 것으로 예상된다.

 

 

 

마이크론의 선전포고

 

 

반도체 업계에 따르면 마이크론은 지난 2월 26일(현지시간) 홈페이지를 통해 "HBM3E 솔루션의 대량 생산을 시작했다"며 "2분기 출하하는 엔비디아의 'H200'에 탑재될 것"이라고 밝혔다. H200은 엔비디아의 차세대 AI 가속기(대규모 데이터 학습·추론에 특화한 반도체 패키지)다.

 

이날 마이크론은 'HBM3E'를 세계 최초로 양산했다고 강조했다. 그동안 SK하이닉스가 HBM3를 독점하고 있는 상황에서 SK하이닉스와 삼성전자를 제치고 차세대 HBM 시장에서 한발 앞서나가는 듯한 모습이다.

 

이러한 마이크론의 발표에 반도체 업계는 술렁였다. 마이크론이 엔비디아의 퀄 테스트를 통과했는지 여부를 구체적으로 밝히지 않았기 때문이다. 업계에서는 엔비디아의 퀄 테스트에 통과했는지, 단순 양산 퀄리티가 나오는 제품을 초기 생산한 것인지에 대한 의견이 분분했다.

 

실제 엔비디아의 퀄 테스트를 통과는 쉽지 않다. 성능이나 발열, 완성도면에서 높은 점수를 받아야한다. HBM은 전공정을 마친 후 실리콘관통전극(TSV) 공정까지 개별 반도체 칩으로 자르는 다이싱(Dicing)을 하지 않고 웨이퍼를 적층 후 패키징하는 WLP(Wafer level packaging)을 진행한다. 또 여러 반도체와 함께 AI 가속기로 패키징되는 HBM 특성상 불량이 날 경우 후처리가 복잡해지는 만큼 퀄 테스트의 기준은 높다.

 

샘플 제품 양산하고 있지만 아직까지 엔비디아의 정식 납품은 못하고 있는 상황이다. 이에 HBM3를 건너 뛰고 바로 HBM3E에 뛰어든 마이크론이 갑자기 엔비디아의 퀄 테스트를 통과했을 가능성이 크지 않을 것이라는 시각이다.

 

일각에서는 '양산(volume production)'이라는 단어를 사용한 것으로 보아 퀄 테스트를 통과했다는 의견도 있다. 통상 엔비디아에서 납품 가능한 품질인지를 확인하는 최종 퀄 테스트를 통과하면 그때부터 본격적인 램프업(생산량 증대)에 들어간다. 마이크론이 엔비디아의 'H200'에 들어간다고 표현한 것은 퀄 테스트에 통과했다는 것을 나타냈다는 의견도 있다. 또 미국의 경우 공식 발표 내용이 실제로 진행되지 않을 경우 천문학적인 손해배상 소송이 들어올 수 있어 퀄 테스트를 통과했기 때문에 발표를 했다는 시각도 많다.

 

하지만 직접적으로 인증을 받았다는 내용이 없어 단순히 퀄 테스트를 위한 제품 양산 수준이라는 반론도 만만치 않았다. 실제 업계에서는 아직까지 HBM3E의 경우 퀄 데스트를 통과한 업체가 없다는 이야기가 나오는 상황이다. 

 

반도체 업계 관계자는 "통상 엔비디아 등 고객사에 퀄 테스트를 받기 위해서는 초기 제품을 양산해 샘플을 납품해 검증을 받는다"면서 "이에 퀄 테스트를 통과하지 않아도 양산이라는 단어를 쓸 수는 있어서 마이크론이 퀄 테스트를 통과하지 못했을 수도 있다"고 전했다.

 

다만 마이크론이 퀄 테스트에 통과했다고 하더라도 실제 수율이 높을지 여부는 미지수다. 마이크론은 HBM3를 건너뛰고 HBM3E를 바로 개발한 만큼 아직 후공정 경험이 부족한 상태다. HBM을 생산하기 위해서는 웨이퍼를 적층 후 패키징하는 기술을 쌓아야하는데 이러한 경험이 아직 마이크론은 부족하다. 일부 기술적인 면에서 마이크론이나 삼성전자가 앞서갈 수는 있지만 수율이나 안정성 면에서는 SK하이닉스를 뛰어넘는 기업은 없다는 분석이다.

 

또 HBM은 적층한 칩 중 하나의 칩만 불량이라도 패키지 전체를 버려야 하기 때문에 수율이 낮다. 한 층의 수율이 90%인 웨이퍼를 8층 적층해 HBM을 만든다면 단순 계산 시 HBM 칩 하나의 수율은 90% 곱하기 8제곱으로 최종 수율은 43%에 그친다. HBM3의 경험이 없는 마이크론의 입장에서는 수율을 올리는 것이 쉽지 않을 전망이다. 이에 안정적인 수율이 나오고 본격적인 램프업이 되는 시기는 6월은 돼야 할 것이라는 예상도 나온다.

 

증권 업계 관계자는 "마이크론이 퀄테스트를 통과했더라고 초기 양산 수율은 바닥을 칠 것"이라며 "실제 마이크론도 올해 말까지 캐파(CAPA·생산능력)를 월 40K(웨이퍼 4만장) 수준으로 늘리려던 계획을 최근 20K로만 확정했다"고 말했다.

 

한편 업계에서는 마이크론이 갑자기 HBM3E 양산을 발표한 것은 HBM 쇼티지(공급부족) 때문이라는 시각도 나온다. HBM의 사용량은 2배 이상 늘어나는데 SK하이닉스만으로는 HBM 공급이 너무 부족하기 때문이다. 

 

이에 같은 미국 업체인 엔비디아와 마이크론과 손을 잡기 시작한 것이 아니냐는 시각도 나온다. 엔비디아 입장에서는 공급 다변화를 통한 협상력 강화라는 카드를 얻을 수 있고, 미국 기업 간 '일감 나눠주기'를 통해 반도체 강국인 한국을 견제하는 것이냐는 해석도 나온다.

 

업계 관계자는 "최근 인텔이 파운드리 시장에서 삼성을 넘어 세계 2위 타이틀을 갖고 오겠다는 포부를 밝혔다"며 "마이크로소프트(MS)는 6조6000억원으로 추산되는 첨단 칩 생산을 인텔에 맡기기로 하는 등 미국 기업들의 제 식구 챙기기에 나선 것으로 보인다"고 전했다.

 

 

SK하이닉스의 반격

 

 

SK하이닉스는 초고성능 AI용 메모리 신제품인 HBM3E를 세계 최초로 양산해 이달 말부터 제품 공급을 시작한다고 19일 밝혔다. 

 

SK하이닉스가 고대역폭 메모리(HBM) 5세대인 HBM3E(24GB 8단) D램을 가장 먼저 엔비디아에 납품한다고 밝혔다. 이에 맞서 삼성전자는 HBM3E 12단을 올 상반기 양산한다는 계획이다.

HBM3에 이어 HBM3E도 세계 최초로 대규모 양산에 돌입하며 HBM 시장 주도권을 굳힌다는 계획이다.

이는 회사가 지난해 8월 HBM3E 개발을 알린 지 7개월 만에 이룬 성과다.

 

SK하이닉스의 HBM3E ⓒSK하이닉스

 

HBM(High Bandwidth Memory)는 여러 개의 D램을 수직으로 연결해 기존 D램보다 데이터 처리 속도를 혁신적으로 끌어올린 고부가가치, 고성능 제품이다. HBM은 1세대(HBM)-2세대(HBM2)-3세대(HBM2E)-4세대(HBM3)-5세대(HBM3E) 순으로 개발됐다. HBM3E는 HBM3의 확장(Extended) 버전이다.

SK하이닉스는 “HBM3에 이어 현존 D램 최고 성능이 구현된 HBM3E 역시 가장 먼저 고객에 공급하게 됐다”며 “HBM3E 양산도 성공적으로 진행해 AI 메모리 시장에서의 경쟁우위를 이어 가겠다”고 밝혔다.

앞서 마이크론이 지난달 26일(현지시간) 올해 2분기 출시 예정인 엔비디아의 H200 그래픽처리장치(GPU)에 탑재될 HBM3E(24GB 8단) 양산을 시작했다고 발표한 바 있으나, 실제 납품을 위한 대량 양산은 SK하이닉스가 처음인 것으로 알려졌다.

엄청난 양의 데이터를 빠르게 처리해야 하는 AI 시스템을 구현하기 위해서는 수많은 AI 프로세서와 메모리를 다중 연결(Multi-connection)하는 식으로 반도체 패키지가 구성돼야 한다. 따라서 AI에 투자를 늘리고 있는 글로벌 빅테크 기업들은 AI 반도체 성능에 대한 요구 수준을 계속 높여가고 있으며, HBM3E는 이를 충족시켜줄 현존 최적의 제품이 될 것으로 SK하이닉스는 기대하고 있다.

HBM3E는 속도와 발열 제어 등 AI 메모리에 요구되는 모든 부문에서 세계 최고 성능을 갖췄다고 회사는 강조했다. 

SK하이닉스가 선보인 HBM3E는 초당 최대 1.18TB(테라바이트)의 데이터를 처리한다. 이는 FHD(Full-HD)급 영화(5GB) 230편 분량이 넘는 데이터를 1초 만에 처리하는 수준이다.

AI메모리는 극도로 빠른 속도로 작동해야 하는 만큼 효과적인 발열 제어가 관건이다. 회사는 이를 위해 신제품에 어드밴스드(Advanced) MR-MUF 공정을 적용, 열 방출 성능을 이전 세대 대비 10% 향상시켰다고 설명했다.

MR-MUF는 반도체 칩을 쌓아 올린 뒤 칩과 칩 사이 회로를 보호하기 위해 액체 형태의 보호재를 공간 사이에 주입하고, 굳히는 공정. 칩을 하나씩 쌓을 때마다 필름형 소재를 깔아주는 방식 대비 공정이 효율적이고, 열 방출에도 효과적이라는 평가를 받고 있다. 

특히 SK하이닉스의 어드밴스드 MR-MUF는 기존 공정보다 칩을 쌓을 때 가해지는 압력을 줄이고, 휨 현상 제어(Warpage control)도 향상해 HBM 공급 생태계 내에서 안정적인 양산성을 확보하는 데 핵심이 되고 있다고 회사측은 자평했다.

류성수 SK하이닉스 부사장(HBM 비즈니스담당)은 “세계 최초 HBM3E 양산을 통해 AI 메모리 업계를 선도하는 제품 라인업을 한층 강화했다”며 “그동안 축적해온 성공적인 HBM 비즈니스 경험을 토대로 고객관계를 탄탄히 하면서 ‘토털(Total) AI 메모리 프로바이더(Provider)’로서의 위상을 굳혀 나가겠다”고 말했다.

 

 

 

삼성전자의 상황

 

HBM3에서도 삼성전자가 수차례에 걸쳐 퀄 테스트를 통과하지 못하고 있다.

 

하지만, 삼성전자는 이미 개발 완료한 HBM3E 12단을 올해 상반기에 양산한다는 계획이다. HBM3E 12단은 8단을 보완해 확장한 제품이다.  

삼성전자의 HBM3E 12단

 

삼성전자가 엔비디아 인공지능(AI) 가속기용 고대역폭메모리(HBM)3 공급을 포기하고 HBM3E에서 승부를 본다. 한 단계 더 나아간 HBM 5세대 HBM3E에서 엔비디아의 승인을 최대한 빨리 받아 성과를 내는 방향으로 전략을 급선회한 것이다.

 

25일 업계에 따르면 삼성전자는 지난 1월 엔비디아에 HBM3를 소규모로 공급했지만 현재는 거래가 중단된 상태다. 일각에선 삼성전자 HBM3의 품질이 엔비디아의 요구사항을 맞추지 못한 것으로 보고 있다.

 

삼성전자는 AI 반도체 '큰 손'인 엔비디아에 반드시 HBM3E 공급을 해야 하는 상황에 직면했다. 경쟁사인 SK하이닉스는 이달 말부터 엔비디아에 HBM3E 공급을 시작하고, HBM 점유율 3위인 미국 마이크론도 HBM3E 공급을 앞두고 있다.

젠슨 황 엔비디아 CEO가 삼성전자 12단 HBM3E에 남긴 친필 서명과 글귀. 사진=한진만 삼성전자 부사장 SNS 캡처

 

HBM3E부터는 삼성전자에도 긍정적 분위기가 감지된다. 젠슨 황 엔비디아 최고경영자(CEO)는 최근 미국 새너제이에서 열린 개발자 콘퍼런스 'GTC 2024'에서 삼성전자의 HBM3E 실물에 ‘젠슨 승인(JENSEN APPROVED)’이라고 적었다. 업계에선 이를 두고 삼성전자 HBM3E에 대한 엔비디아의 승인이 임박했다는 신호로 해석하고 있다.

 

삼성전자, SK하이닉스, 마이크론이 만드는 HBM3E는 엔비디아가 올해 2분기 출시할 AI 가속기인 'H200'과 연말 나올 'B200(블랙웰)' 등에 탑재된다. 특히 2080억개의 트랜지스터가 집약된 B200은 역대 가장 큰 그래픽처리장치(GPU)로, 칩 하나에 HBM3E 8개가 탑재될 전망이다. B200의 1대 가격은 3만~4만달러에 이를 것으로 전해진다.

 

업계 관계자는 "B200에 들어갈 삼성전자와 SK하이닉스, 마이크론의 HBM 경쟁은 내년부터 본격화될 전망"이라고 말했다.

삼성전자는 HBM3E 수율을 높여 수익성을 높이는 데 최대한 힘을 실을 것으로 예상된다. 미국 IT 전문매체 Wccftech에 따르면 현재 HBM 생산기업의 수율은 65% 정도로 일반 D램 대비 크게 낮다.

 

HBM에서는 실리콘관통전극(TSV)이 핵심 요소 중 하나다. TSV는 미세구멍(데이터 통로)을 뚫은 D램 칩을 수직으로 쌓아 칩 사이를 전극으로 연결하는 기술이다. 여기서 수천개의 구멍을 수직으로 일정하게 뚫는 게 중요하지만 기술 난도가 높아 HBM 전체 수율을 높이는 데 한계가 있다.

 

삼성전자는 HBM3E 공급 준비와 함께 차세대 제품인 HBM4 개발에도 속도를 내고 있는 것으로 알려졌다. SK하이닉스의 경우 지난 18~21일 열린 엔비디아 연례 개발자 컨퍼런스 GTC 2024에서 HBM4의 성능을 공개하면서 이 제품에서도 기세를 잡은 상황이다.

 

SK하이닉스의 HBM4는 HBM3E 대비 대역폭이 40% 확장되고 전력소모는 70% 수준으로 줄어든다. 삼성전자도 SK하이닉스와 비슷한 성능의 제품을 개발하고 조만간 상세 성능을 공개할 전망이다.

 

 

 

 

출처: 한국아이닷컴, 딜사이트, 한국경제, 매일산업뉴스, ZD Net

 

뜨리스땅

 

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/458

반도체 기술 탐구: SK Hynix의 HBM 패키징 기술, TSV와 MR-MUF