[인사이트] 엔비디아 HBM 삼국지는 HBM3E 12단... 진짜는 HBM4

by파이낸스스코프 기자
2024.10.31 11:03:08

엔비디아 GPU 대상 HBM3E 8단 ‘SK하이닉스 독주와 마이크론의 진입’

B200울트라에 붙을 HBM3E 12단 퀄 누가 받았나?

설계 문제 깨달은 삼성전자 전공정을 엎어 버리다

하이브리드 본딩 적용 시점이 재차 반도체 장비 모멘텀

최근 반도체 업계에선 엔비디아 HBM3E 8단 납품과 관련해 전쟁을 치르고 있습니다.

선두주자는 당연히 SK하이닉스죠. 마이크론이 후발주자로 양산 납품을 하고 있지만 그 물량이 제한적이라고 알려졌습니다. 여기서 미디어, 반도체 업계 등 다양한 창구가 삼성전자의 엔비디아 대상 HBM3E 8단 양산 인증(퀄) 통과설과 조건부 통과설, 그리고 실패설에 목을 매고 있습니다.

다만 현재 기업가치와 주가 모멘텀 측면에선 2025년 HBM의 경쟁을 가늠할 수 있는 키로 HBM3E 12단을 꼽을 수 있습니다. 그리고 다음 단계 진짜는 HBM4입니다. HBM3E 8단 관련 논쟁은 현재 IT업계와 주식 투자 관점에선 무의미하다고 봅니다.

사진=오픈AI(챗GPT)

앞으로 시장의 변화 관련해선 HBM3E 8단의 양산 인증이 중요하진 않습니다. 물론 지금 엔비디아 H200에 들어가는 HBM3E 8단이 공급부족(쇼티지) 상황이라고 합니다. 그래서 엔비디아는 납품처를 다각화하고 싶어 합니다.

여기서 제가 들은 바는 인증 요건의 까다로움입니다. (좀 더 팩트체크가 필요하지만) TSMC가 납품과 관련한 검증을 한다고도 알려졌는데요. TSMC(엔비디아)가 양산성, 불량률 등에서 여러모로 AMD 등 경쟁사 대비 높은 수준을 요구하고 있으며, 이는 엔비디아 GPU의 높은 가격 등으로 인해 로스(손실)이 나지 않기 위한 기준점이라고도 보입니다. 기준점은 SK하이닉스가 받은 인증 수준이라고도 하네요.

현재 구축된 삼성전자의 HBM3E 8단 관련 공정(전체 공정을 말함)에선 요건을 충족시키지 못하고 있다는 것으로 추측할 수 있는데요. 삼성전자가 만약에 가능했다면 대대적으로 직간접적으로 노출했겠죠.

엔비디아가 현재까지 진행하는 제품 출시 스케줄을 보면 엔비디아 블랙웰 라인업 B100과 B200은 HBM3E 8단을 적용할 것으로 보이며 HBM3E 12단은 B200울트라(상위버전)에 적용할 것으로 보입니다.

B100과 B200은 올해 말 또는 내년 초 출시를 목표로 하고 있습니다. B200울트라는 내년 중반으로 보고 있습니다. 물론 이러한 일정도 엔비디아의 상황에 따라 바뀔 수 있으니 지속적인 모니터링이 필요합니다.

IT 업계 ‘썰’은 “SK하이닉스와 마이크론이 HBM3E 12단 퀄을 받았다”입니다. 삼성전자는 검증 중이라고 합니다. 공식적인 통과 소식은 아직 없고요. SK하이닉스가 가장 유력, 연말 내 양산 납품을 예상합니다. 마이크론은 내년 1분기로 거론되고 있고요. 일단 결론만 말하면 ‘삼성전자도 아직 여유 있다’입니다. HBM3E 12단 필요 양산 시점은 이르면 내년 2분기 정도로 봅니다.

공급사 시장의 흐름을 감지하기 위해선 마이크론의 준비가 중요합니다. 엔비디아 블랙웰 시리즈에 적용되는 HBM3E 12단부터 SK하이닉스의 독점 구조(물론 가장 우세한 공급자일 것임)가 깨지고 마이크론의 볼륨이 늘어날 수 있습니다.

다음 주자는 삼성입니다. 엔비디아가 HBM 물량 쇼티지와 TSMC와의 블랙웰 양산 지연 등의 문제로 삼성전자에 손짓을 한다는 이야기를 아시는 분도 있을 겁니다. 실제 엔비디아는 삼성전자에 HBM 설계를 도와주기 시작했다는 이야기도 나옵니다. 삼성전자의 파운드리와 HBM3E 12단에 힘을 실어 줄 수 있는 의지를 엿볼 수 있습니다. 공급망 다변화가 엔비디아에겐 필요한 시점으로 판단한 것 같습니다.

B200 울트라의 양산 시점은 빨라야 2분기 늦으면 내년 하반기입니다. 삼성전자에겐 아직 시간이 있습니다.

삼성전자는 엔비디아에 비하면 작은 고객사지만 AMD에 HBM3E 12단을 이르면 연말에 공급할 것이라는 이야기가 있습니다. 전력, 수율 등 양산성을 높이기 위한 연구가 진짜로 어렵지만 레퍼런스를 찾다 보면 해결점은 보이리라고 생각합니다.

삼성전자는 지난 9월에 전공정을 갈아엎고 새로운 DRAM으로 내년 4분기를 목표로 투자에 들어갔다고 합니다. 여기서 주목할 부분은 전공정입니다. 많은 분이 HBM과 관련해서 후공정의 중요성을 강하게 인지하고 있는데요. 다음세대 HBM으로 갈수록 전공정의 중요성도 함께합니다.

SK하이닉스와 마이크론은 1b 공정에서 HBM3E의 제조를 진행합니다. 삼성전자는 1a 공정에서 하고요. 참고로 개념상으로 1a 공정 다음 단계가 1b라고 인지하시면 좋습니다.

1a, 1b와 같은 구분은 주로 10nm 이하의 극미세 공정을 단계별로 구분한 것입니다. 1x, 1y, 1z 등에서 시작해 더 미세화된 1a, 1b 단계로 이동하는 것이 일반적입니다. 각 단계는 트랜지스터 밀도가 높아지고 전력 효율이 개선됩니다. 또, 칩당 용량이 증가해 성능과 효율이 향상됩니다.

삼성전자와 SK하이닉스가 도입한 1a 공정은 EUV(극자외선) 리소그래피 기술을 적용해 트랜지스터의 밀도와 정확성을 높입니다. 이는 칩당 더 많은 셀을 배치해 용량을 늘리고, 전력 효율을 높여 고성능 데이터 센터와 같은 응용 분야에 적합합니다.

1b 공정은 1a보다 한 단계 더 미세화된 공정입니다. DRAM의 셀 밀도와 전력 소모를 더욱 줄이는 것을 목표로 합니다. 이는 AI 및 클라우드 컴퓨팅 같은 고속 연산 요구가 많은 환경에 대응하기 위한 발전입니다.

삼성전자의 HBM 수율이 DRAM 전공정에서 문제가 있었던 만큼 1a 공정을 갈아엎고 1b 공정으로 넘어가는 수순을 보이고 있는 것으로 판단합니다.

특히 1a 공정의 원 다이(Die) 설계가 문제였다고 합니다. 삼성전자가 전공정을 갈아엎는 과정에서 설계 변경을 하고 있으며 오는 2027년 목표로 1d 공정까지 해서 변화를 시도한다고 합니다. 삼성전자의 1a 공정이 일부 설계적 문제와 공정 안정성 부족 문제가 있다는 썰이 이와 관련됐다고 보시면 됩니다. 그래서 고성능 HBM3E 메모리의 품질 인증에서 지연을 겪고 있으며, 이는 엔비디아와의 공급 일정에도 영향을 미치고 있습니다고 평합니다

앞서 언급했던 것처럼 주요 경쟁사인 SK하이닉스와 마이크론은 1b 공정을 도입하며 공정 성능과 안정성을 확보했지만, 삼성의 1a 공정은 성능이 약간 낮다는 평가를 받고 있습니다. 이러한 문제로 인해 삼성은 1a DRAM 일부 회로의 재설계를 검토 중입니다. 재설계가 진행된다면 2025년 중반까지 생산이 지연될 가능성이 있습니다. 제 생각엔 좀 늦은 감이 있지만 삼성전자도 물적, 인적 갈아엎는 과정을 통해 변화의 움직임이 보입니다.

차세대 HBM의 제조에 영향을 미치는 가장 큰 요인은 전공정과 후공정 모두에서 찾아야 합니다.

전공정과 후공정에 들어가는 플라즈마(Plasma), CMP(Chemical Mechanical Polishing, 화학기계 연마), 본더(Bonder, 반도체 칩 접합), 어닐링(Annealing, 열처리 구조 안정화), 다이싱(Dicing, 웨이퍼 절단), 디본더(Debonder, 반도체 또는 웨이퍼 분리) 등이 모두 중요합니다.

삼성전자가 장비 공급망을 재정비하려는 움직임도 나옵니다. 아직까진 썰인데 뉴스 보도나 증권가 리포트를 통해 확인되지 않을까 합니다.

삼성전자는 앞으로 반전을 위해 HBM4에 양산 납품을 하기 위한 투자를 하지 않을까 싶습니다. 아직 업계에서 지배적인 흐름이 나오진 않지만 전공정 투자와 함께 후공정 내 하이브리드 본딩 기술 도입을 서두를 듯합니다.

물론 SK하이닉스도 하이브리드 본딩 기술을 도입해야 할 것이고요.

하이브리드 본딩 적용 시점이 재차 반도체 장비 모멘텀

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이제 하이브리드 본딩을 이야기해 드리겠습니다. 반도체 하이브리드 본딩(Hybrid Bonding)은 서로 다른 반도체 칩을 매우 정밀하게 결합하는 기술입니다. 전통적인 솔더 범프 방식 대신 구리와 산화막을 직접 결합하는 방식이죠.

작업의 핵심은 구리와 산화막 표면을 플라즈마 활성화 처리해 결합 가능한 화학 결합 자리를 만들어 내고, 이를 통해 두 층이 강하게 연결됩니다.

하이브리드 본딩은 데이터 전송 속도와 전기적 성능을 크게 향상시키고, 층간 거리를 줄여 고밀도 패키징을 가능하게 합니다. 주로 HBM(High Bandwidth Memory)과 같은 고성능 메모리와 3D 패키징에 사용되며, AI와 고성능 컴퓨팅(HPC)용 칩의 집적도와 성능을 높이는 데 중요한 역할을 합니다.

삼성전자와 SK하이닉스의 구체적인 움직임이 나오는 과정에서 플라즈마 활성화 장비, CMP 장비, 구리도금 장비, 본딩 장비, 다이싱 장비, 세정 장비 등이 납품 여부와 함께 재차 상승 모멘텀을 나타낼 수 있습니다.

조금 걱정되는 부분은 국내산 장비의 완성도입니다. 일본이나 미국 메이저 반도체 장비 업체와 경쟁하는 경우, 우위를 점하지 못한다면 삼성전자와 SK하이닉스의 간택을 못 받을 수 있습니다. 특히 삼성전자는 이와 관련해서 좀 더 까다롭게 대응하리라 봅니다.

마지막으로 삼성전자 내에서 투자 비용 운운하면서 차세대 공정 연구 개발 및 설비 투자를 막는 힘이 득세한다면, 내년에도 어렵겠죠.

<파이낸스스코프 마켓프로 기자 mktpro@finance-scope.com>

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