HBM시장 장악한 삼성·SK하이닉스…기술경쟁으로 판 키운다

SK하이닉스, TSMC 동맹으로 삼성 추격 '방어'
해마다 50% 넘게 고성장
AI반도체 주도권경쟁 불붙어
하이닉스 패키징기술 강화
초미세공정으로 맞춤칩 강점
2026년 HBM4 양산 목표
메모리·파운드리 등 일괄공정
삼성, 턴키전략으로 따라붙어

삼성전자가 고대역폭메모리(HBM) 시장에서 전속력으로 추격에 나선 가운데 SK하이닉스와 대만 TSMC가 인공지능(AI) 반도체 '동맹'을 공식화하면서 HBM 시장에 '전운'이 감돌고 있다.

삼성전자의 5세대 HBM인 HBM3E 8H(High)·12H 제품은 엔비디아 공급이 초읽기에 들어간 상태다. 여기에 차세대 HBM4(6세대 HBM) 시장 주도권을 두고도 세계 1·2위 메모리 기업 간 치열한 승부가 예고돼 있다.

19일 SK하이닉스는 대만 타이베이에서 TSMC와 '차세대 HBM 생산 및 어드밴스트 패키징 기술 역량 강화를 위한 양해각서(MOU)'를 체결했다고 밝혔다. 2026년 양산 예정인 HBM4를 개발·생산하기 위해 협력 관계를 이어가겠다는 게 MOU 골자다.

이에 따라 TSMC는 SK하이닉스의 HBM 생산 공정 일부를 담당할 것으로 보인다. 두 회사는 우선 베이스 다이(Base Die) 성능 개선에 나서기로 했다. 패키지 최하단에 탑재되는 베이스 다이는 그래픽처리장치(GPU) 연결을 통해 HBM을 제어한다.

SK하이닉스 관계자는 "5세대인 HBM3E까지는 자체 공정으로 베이스 다이를 만들었으나, HBM4부터는 로직 선단 공정을 활용한다"며 "다이 생산에 파운드리의 초미세 공정을 적용하면 다양한 기능을 추가할 수 있다"고 설명했다. 이를 통해 맞춤형 HBM을 생산할 수 있는 데다 성능과 전력 효율을 높일 수 있다.

양사는 AI 반도체 패키징 기술력도 함께 끌어올린다는 계획이다. TSMC 패키징 공정인 '칩 온 웨이퍼 온 서브스트레이트(CoWoS)'와 SK하이닉스의 HBM 기술 결합을 최적화하기 위해 나선 것이다. 이를 통해 호환성을 대폭 높일 수 있을 것으로 기대된다.

현재는 2.5차원(2.5D) 패키징을 적용하고 있다. 2.5D는 수평(2D) 기판 위에서 로직 칩과 수직(3D)으로 쌓은 HBM을 결합하는 방식이다. SK하이닉스와 TSMC는 2.5D를 넘어서 3D 패키징 협력에도 힘을 실을 전망이다. SK하이닉스·TSMC는 최대 고객사로 꼽히는 엔비디아의 요청에도 공동 대응하기로 뜻을 모았다. 양사는 엔비디아에 제품을 공급하며 HBM 시장과 파운드리 시장에서 각자 영향력을 키워 나가고 있다. SK하이닉스가 HBM을 만들어 TSMC에 보내면, TSMC가 GPU 칩과 결합해 엔비디아 H100을 완성하는 식이다. 이번 MOU를 계기로 고객(엔비디아)·파운드리(TSMC)·메모리(SK하이닉스)로 이어지는 3자 간 기술 협업을 강화할 방침이다. 김주선 SK하이닉스 AI 인프라담당 사장은 "최고 성능 HBM4를 개발하고 글로벌 고객들과의 개방형 협업에도 속도를 내겠다"고 말했다. 이 같은 합종연횡에는 삼성전자를 견제하려는 의도가 있다는 것이 업계 시각이다. 지금까지 삼성전자는 HBM 시장에서 SK하이닉스에 밀리는 양상을 보여왔다. AI 반도체 시장을 장악한 엔비디아에도 SK하이닉스가 HBM을 사실상 독점 공급해왔던 것이 사실이다.

'AI 열풍'을 타고 HBM 시장이 활황세를 보이면서 절치부심한 삼성전자는 재빠르게 추격에 나선 상태다. 삼성전자가 야심 차게 개발한 HBM3E 12H 제품이 그 신호탄이다. 특히 12단 HBM3E의 경우 삼성전자가 기술 경쟁력 측면에서 우위에 있다는 것이 업계 시각이다. SK하이닉스·TSMC 동맹은 차세대인 HBM4 시장에서 격차를 유지하겠다는 구상으로 해석된다.

삼성전자는 메모리·파운드리·패키징 등 모든 공정을 한번에 해결하는 '턴키 전략'을 바탕으로 차세대인 HBM4 시장에 대응한다는 계획이다. 삼성전자가 메모리와 파운드리 사업을 모두 운영하는 만큼 미세 공정이 필요한 HBM4를 개발하는 데 경쟁 기업에 비해 강점이 있다는 판단에서다.

박영준 서울대 전기·정보공학부 명예교수는 "AI 반도체 패키징은 단순히 칩을 결합하는 게 아니라 시스템 전체 성능을 결정하는 요인인 만큼 SK하이닉스가 TSMC와 시너지를 낼 수 있을 것"이라고 말했다. 이어 "TSMC로서도 HBM 발전이 빠른 상황에서 SK하이닉스와 손잡을 필요가 있었다"고 분석했다.

[성승훈 기자 / 최승진 기자]