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[스토리텔링 경제]

2016년 최초 2세대 HBM2 상용화
2019년 불황에 축소… 실책 평가
HBM4 성능 자신감… “이제 빛 보여”

게티이미지뱅크
“HBM4는 고객들에게‘삼성이 돌아왔다’는 평가까지 받으며 차별화된 경쟁력을 보여줬다.”

삼성전자 전영현 부회장의 올 신년사에는 고대역폭메모리(HBM)에 대한 자신감과 기대가 담겼다.HBM은 삼성을 글로벌 반도체 시장 선두로 귀환하게 이끈 일등 공신이자,향후 시장의 판도를 바꿀 선봉장으로 주목받는다.그 이면에는 지난 수년 간의‘절치부심’이 있다.D램 왕좌를 SK하이닉스에 내주게 됐던 계기 역시 HBM에서의 시행착오였기 때문이다.

현존하는 저장장치 중 가장 빠른 전송 속도를 구현할 수 있는 HBM은 인공지능(AI) 기술 구현에 필수적인 요소다.2013년 SK하이닉스가 세계 최초로 개발했지만,당시에는 시장의 별다른 관심을 받지 못했다.초창기 HBM 경우 높은 제조 비용과 제품 가격에 비해 기존 그래픽용 D램(GDDR)과 성능 차이도 크지 않았다.2015년 SK하이닉스의 HBM을 적용한 최초의 그래픽카드,AMD의‘라데온 R9 Fury X’만 해도 GDDR5를 장착한 엔비디아‘GTX 980 Ti’보다 성능이 떨어졌다.

HBM은 오랜 시간‘계륵’신세를 면치 못했다.삼성전자는 2016년 업계 최초로 2세대 HBM2를 상용화했고,2018년에는 8GB HBM2 양산에도 성공했다.GDDR5에 비해 전송 속도는 8배가 빨라졌지만,연금복권 몇자리너무‘고성능’인 것이 문제가 됐다.슈퍼컴퓨터나 AI 데이터 학습 수요는 턱없이 부족했고,지금과 같은 초고사양 게임도 존재하지 않았다.2019년 기준 HBM 시장은 전체 D램 시장의 0.8%에 불과했다.여기에 메모리 반도체 시장 불황까지 겹치자 삼성전자는 HBM 전담 연구개발팀을 해체 수준으로 축소하기에 이른다.같은 해 SK하이닉스는 3세대 HBM2E을 발표하는 등 투자를 이어가는 쪽을 선택했다.이때의 엇갈린 선택은 삼성전자에게 뼈아픈 실책으로 남게 된다.

2022년 11월 오픈AI가‘챗GPT’를 공개한 것을 계기로 나비 효과가 시작됐다.오픈AI는 초기 AI 모델의 학습과 실행에 엔비디아의 그래픽처리장치(GPU)‘A100’를 사용했다.엔비디아는 D램보다 처리 속도가 월등히 뛰어난 HBM을 자사 GPU 기판에 넣기로 결정했다.이는 세계에서 유일하게 4세대 HBM3을 양산하던 SK하이닉스의 엄청난 특수로 이어졌다.HBM3 독점 공급 계약에 이어 2024년에는 5세대 HBM3E까지 납품하며 단숨에 글로벌 시장의 주도권을 잡았다.반면 공백기를 겪은 삼성전자는 고객사가 원하는 최신 규격의 제품을 바로 준비할 상태가 아니었다.

위기를 맞은 삼성은 이례적인‘원포인트 인사’를 단행한다.2024년 5월 반도체 사업 수장을 전영현 부회장으로 전격 교체한 것이다.취임 일성으로 소통과 기술력을 내세운 전 부회장은 경쟁력 회복에 몰두했다.1년이 지나도록 엔비디아‘퀄 테스트’통과 소식은 들리지 않았고,연금복권 몇자리삼성전자의 주가는 1년 전보다 오히려 떨어진 상황이었다.같은 해 1분기에는 D램 시장 점유율 1위를 SK하이닉스에 내주는 굴욕도 겪었다.하지만 당시 내부에서는‘이대로 하면 된다‘조짐이 나쁘지 않다’등 긍정적인 소식이 나왔던 것으로 전해졌다.삼성전자는 엔비디아 테스트를 뚫기 위한 HBM3E 12단은 물론,연금복권 몇자리6세대 HBM4의 완성도를 끌어올리는 데도 총력을 기울였다.전 부회장은 HBM4에 탑재될 10나노미터급 6세대(1c) D램 수율 개선을 위해 설계 재구성을 지시하는 등 과감한 결정을 단행했다.

지난해 하반기 본격적인 전환점을 맞았다.먼저 적자가 누적됐던 파운드리 사업이 연이은 수주를 따내며 부활 가능성을 입증했다.지난해 7월 테슬라와 23조원 규모의 AI칩 공급 계약을 맺었고,8월에는 아이폰 카메라 모듈에 들어가는 이미지센서 공급처로 합류하는 성과를 거뒀다.그 한달 뒤에는 HBM3E 12단 제품이 엔비디아의 벽을 넘으며 노력의 결실을 보게 됐다.SK하이닉스,연금복권 몇자리마이크론에 이어 엔비디아에 HBM3E 12단을 공급하는 세 번째 업체로 이름을 올린 것이다.여기에 메모리 초호황 국면을 타고 범용 D램·낸드플래시 가격까지 급등하면서 도약의 발판이 더욱 확실하게 다져졌다.시장조사업체 카운터포인트리서치 조사에 따르면 2025년 4분기에는 하이닉스에 내줬던 점유율 1위도 탈환한 것으로 예상된다.

이런 기세를 타고 삼성전자는 올해 영업이익 100조원 돌파라는 전례 없는 기록에 도전한다.아직 승자가 확정되지 않은 HBM4 시장에서 판세를 뒤집겠다는 전략이다.성능에서도 뒤지지 않는다는 것이 삼성전자의 설명이다.업계 관계자는 “지난 12월 엔비디아의 HBM4 시스템인패키지(SiP) 테스트에서 삼성전자 제품이 구동 속도와 전력효율 측면에서 가장 좋은 평가를 받은 것으로 안다”며 “오랜 터널을 걸어오던 중 이제 조금씩 빛이 보이는 것 같다”고 말했다.삼성전자는 2026년 HBM 판매량이 2.5배 이상 증가할 것으로 전망한다.

다음에 풀어야 할 숙제는‘꿈의 패키징 공정’으로 꼽히는 하이브리드 본딩 기술이다.하이브리드 본딩은 D램을 쌓을 때 필요한 범프(돌기) 없이 구리와 구리를 직접 붙이는 방식이다.제품 두께를 줄이면서도 신호 이동 전달 속도를 개선할 수 있어 칩 적층 수를 늘리기 위해서는 불가피한 선택지다.HBM의 성능과 생산효율을 크게 높이기에 하이브리드 본딩을 먼저 잡는 기업이 향후 반도체 산업의‘게임 체인저’가 될 것이라는 분석이다..