HBM에 웃는 삼성 파운드리…첨단 공정 생산능력 확대 채비

HBM4·HBM4E에 4나노 베이스다이 적용, 증설 검토 중..HBM5에는 2나노 공정 적용

글로벌 액침냉각유 시장 전망/그래픽=윤선정

삼성전자가 HBM(고대역폭메모리) 시장 성장에 힘입어 파운드리(반도체위탁생산) 첨단 공정 생산능력 확대에 나선다. 6세대 HBM(HBM4) 베이스다이 수요 급증 등으로 4나노(㎚·10억분의 1m) 공정이 풀가동에 들어가면서 증설을 검토 중이다. 향후 HBM5(8세대)에 대응하기 위한 2나노 신규 생산라인 투자 가능성도 제기된다.

21일 전자업계에 따르면 삼성전자는 HBM4 베이스다이 수요 확대에 대응해 파운드리 4나노 공정의 증설을 검토 중이다. 삼성전자 HBM4는 10나노급 6세대(1c) D램을 적용한 코어다이와 4나노 공정으로 생산한 로직 반도체인 베이스다이로 구성된다.

베이스다이는 HBM의 가장 아래 단에서 GPU(그래픽처리장치) 등 AI(인공지능) 가속기와 데이터를 빠르게 주고받도록 연결하는 역할을 담당한다. HBM의 동작 속도가 빨라지고 용량이 커질수록 베이스다이의 데이터 처리 성능과 전력 효율도 중요해진다. HBM4부터는 베이스다이에 첨단 파운드리 공정이 적용되면서 HBM의 성능과 전력 효율을 끌어올리는 핵심 요소로 자리잡았다.

SK하이닉스가 HBM4 베이스다이에 대만 TSMC의 12나노 공정을 활용하는 것과 달리 삼성전자는 자체 4나노 공정을 적용해 성능과 전력 효율을 높이는 전략을 택했다. 삼성 파운드리 4나노 4세대 공정은 양산 4년차를 맞아 성능과 수율이 충분히 검증된 만큼 HBM4 조기 안착에 큰 역할을 했다.

삼성전자의 4나노 공정은 이미 생산라인이 풀가동 중이다. HBM4 생산 확대뿐만 아니라 엔비디아의 AI 추론용 반도체인 '그록(Groq) 3 LPU(언어처리장치)'도 삼성 파운드리 4나노 공정에서 생산된다. 수요가 몰리면서 삼성전자는 최근 4나노 신규 수주 물량에 대한 가격을 인상하기도 했다. 여기에 HBM4용 베이스다이 가격도 올린 것으로 전해졌다.

특히 하반기 엔비디아의 차세대 AI 플랫폼인 '베라 루빈' 공급 확대에 따라 HBM4 수요가 크게 늘어날 전망이다. 삼성전자는 3분기 HBM4 매출이 전 분기 대비 3배 이상 증가할 것으로 예상하고 있다. 하반기 전체 HBM 매출에서 HBM4가 차지하는 비중도 60%를 크게 웃돌 것으로 내다봤다.

삼성전자는 HBM 수요에 대응하기 위해 경기 평택 P4(4공장)의 추가 증설 물량 대부분을 HBM용 1c D램 생산에 투입할 계획이다. 삼성 파운드리도 현재 4나노 생산능력의 절반 이상을 HBM4 베이스다이 생산에 배정한 것으로 알려졌다.

여기에 7세대 HBM인 HBM4E에도 4나노 베이스다이가 적용된다. 삼성전자는 지난 5월 업계 최초로 HBM4E 샘플을 고객사에 공급하고 세부 사양을 논의 중이다. HBM4와 HBM4E가 주력 제품으로 자리 잡으면 현재 4나노 생산능력만으로는 수요를 감당하기 어려울 것이라는게 업계의 시각이다. 베이스다이도 생산능력 확대가 필요한 상황이다.

삼성전자는 HBM5에 대응하기 위한 2나노 신규 생산라인 구축도 검토 중이다. HBM5 베이스다이에는 GAA(게이트올어라운드) 구조를 적용한 2나노 공정을 활용하고 TSV(실리콘관통전극) 집적도를 높여 HBM4E 대비 동작 속도를 50% 이상 향상시킨다는 목표다. HBM 세대 전환이 파운드리의 첨단 공정 수요와 신규 투자로 이어지는 구조인 셈이다.

삼성전자는 지난해 하반기 2나노 1세대 공정 양산을 시작한 데 이어 올해 하반기에는 수율과 성능을 개선한 2나노 2세대 공정 기반 제품 생산에도 나섰다. 모바일 AP(애플리케이션 프로세서)를 비롯해 테슬라 등으로 고객 기반도 확대 중이다. HBM5에 2나노 공정을 선제적으로 도입해 기술 리더십을 확고히 한다는 전략이다.

HBM 시장의 성장세도 가파르다. 씨티는 내년 글로벌 HBM 비트 수요가 752억Gb(기가비트)로 올해보다 62% 증가하고, 2028년에는 1270억Gb까지 확대될 것으로 예측했다. 반면 내년 공급량은 594억Gb에 그쳐 수요 대비 약 21% 부족할 것으로 봤다.

삼성전자의 HBM 공급 확대 속도도 빨라질 것으로 보인다. 씨티는 내년 삼성전자의 HBM 공급량이 올해보다 2.3배 증가하고, 시장점유율도 올해 30%에서 내년 42%까지 상승하며 선두에 올라설 것으로 내다봤다.

업계 관계자는 "삼성전자의 HBM4 성공에는 베이스다이도 큰 역할을 했다"며 "파운드리 사업부의 실적도 곧 흑자를 달성할 것"이라고 말했다.

김남이 기자 kimnami@mt.co.kr
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