[창간43주년] AI 핵심 'HBM'…SK·삼성과 소부장이 뛴다

지난해 10월 서울 강남구 코엑스에서 열린 '반도체대전 2024' SK하이닉스 부스에서 관람객이 5세대 고대역폭 메모리(HBM3E)를 살펴보고 있다. 김민수기자 mskim@etnews.com

인공지능(AI)을 구현하기 위한 AI 가속기는 크게 그래픽처리장치(GPU)와 고대역폭메모리(HBM)로 구성돼 있다. GPU는 연산 역할을, HBM은 연산에 필요한 데이터를 공급하는 반도체다. AI 서비스를 선보이려면 방대한 데이터를 고속 처리해야 하는데, HBM은 여러 개의 D램을 쌓아 데이터 전송 속도를 높였다.

HBM은 국내 기업이 선도하고 있다. HBM 1위 SK하이닉스를 필두로 삼성전자가 HBM을 양산 중이고, 소재·부품·장비(소부장) 업체들도 HBM 핵심 기술들을 보유하고 있다. AI 경쟁력 확보에 유리한 조건을 갖춘 셈인 데, 경쟁력을 배가시키려면 HBM 시장 점유율 확대와 기술 고도화가 필수적이라는 분석이다.

김정호 한국과학기술원(KAIST) 전기·전자공학부 교수는 “HBM을 지배하는 국가가 AI 시장을 지배할 것”이라며 “국내 기업들이 HBM 설계·제조·공정 등에서 강력한 생태계를 구축, 기술력을 높여 나가야 한다”고 밝혔다.

SK하이닉스 HBM4 12단 샘플. (사진=SK하이닉스)

◇SK하이닉스, HBM 시장 선도

SK하이닉스는 지난 2013년 HBM을 세계 최초로 개발한 이후 차세대 제품 출시를 거듭하면서 시장 선두 자리를 지키고 있다. 키움증권에 따르면 SK하이닉스의 지난해 HBM 시장 점유율은 65%로, 삼성전자(32%)와 마이크론(3%)을 압도했다.

SK하이닉스는 5세대 HBM(HBM3E)까지 상용화했고, 현재 6세대 제품(HBM4) 양산을 준비 중이다. 회사는 데이터 처리 속도를 더 높이기 위해 HBM4에 시스템 반도체 기술을 결합했다. HBM 가장 아랫단 반도체인 베이스 다이를 기존 D램이 아니라 시스템 반도체 공정으로 제조, 연산 기능을 부여하는 것이다.

이렇게 되면 데이터 전송 속도가 더 빨라질 뿐만 아니라 고객사의 다양한 요구를 반영한 '맞춤형 HBM'도 만들 수 있다. SK하이닉스는 이를 위해 반도체 위탁생산(파운드리) 1위 기업인 TSMC와 협력하고 있다.

삼성전자 HBM4 모형. (사진=박진형 기자)

삼성전자는 HBM4 베이스 다이를 외부 파운드리 기업에 맡길 필요 없이 자체 생산할 수 있다는 게 강점이다. 삼성전자는 메모리 기술과 함께 시스템 반도체 설계·생산 역량을 모두 갖추고 있는 세계에서 유일한 기업이다.

삼성전자는 HBM4에 10나노미터(㎚)급 6세대(1c) D램을 적용, 차별화를 꾀한다. SK하이닉스가 5세대(1b) D램을 활용하는 것과 상반된다. 삼성전자는 미세 공정이 적용돼 성능이 더 뛰어난 1c D램 기반 HBM4를 앞세워 승부수를 띄운다는 계획이다.

한미반도체 TC본더. (사진=한미반도체)

◇HBM 장비·소재에서도 '글로벌 경쟁력'

HBM 제조에는 많은 소재, 부품, 장비가 필요하다. 국내 기업들은 HBM 소부장에서도 두각을 나타내고 있다.

대표적인 HBM 장비 업체로는 한미반도체가 있다. 한미반도체의 열 압착(TC) 본더는 D램을 수직으로 적층해 접합할 때 사용된다. HBM이 여러 개의 D램을 쌓아 만든다는 점에서 핵심 제조 장비로 손꼽힌다.

한미반도체는 차세대 HBM에 대응할 수 있는 본더도 개발하고 있다. 내년에는 플럭스리스 TC 본더, 2027년에는 하이브리드 본더를 각각 선보인다는 계획이다. 차세대 HBM은 두께를 줄이는 게 중요한데, 플럭스리스 TC 본더와 하이브리드 본더는 이를 위해 개발 중인 설비다.

이오테크닉스 웨이퍼 절단 장비. (사진=이오테크닉스)

이오테크닉스는 HBM용 웨이퍼 절단 장비에서 경쟁력을 갖고 있다. HBM은 단수가 높아지면서 웨이퍼가 얇아지는데, 기존 방식인 블레이드(기계적 절단)로는 이물이 많이 발생한다는 단점이 있다. 이오테크닉스는 고출력 레이저로 웨이퍼를 정밀하게 자르는 장비를 주요 HBM 제조사에 공급하고 있다.

소재사들의 활약도 돋보인다. 케이씨텍과 솔브레인은 HBM 화학적기계연마(CMP) 공정에 필요한 소재를 만들고, 와이씨켐은 HBM 제조에 활용되는 극자외선(EUV) 노광 공정 소재를 국산화했다.

2024년 HBM 시장 점유율 - (자료=키움증권)

HBM 시장 규모 전망치 - *전망치. (자료=욜 그룹)

이호길 기자 eagles@etnews.com