세계 최초·최고 성능… 삼성전자 HBM4 출하

차세대 AI 메모리 시장 선도 나서

삼성전자가 세계 최초로 인공지능(AI) 산업의 핵심 부품인 6세대 고대역폭메모리 HBM4를 양산 및 출하했다고 12일 밝혔다. 최대 데이터 전송 속도는 13Gbps로 기존의 HBM3E와 비교해 22% 빨라졌고, 데이터 출입구를 1024개에서 2048개로 늘리면서 전송 데이터의 양도 급격히 늘었다. 반도체업계에서는 AI 그래픽저장장치(GPU)의 메모리 병목을 획기적으로 줄일 ‘게임체인저’로 평가했다. 삼성전자는 올해 하반기와 내년에 연이어 차기 HBM도 내놓으며 관련 기술을 선도하겠다는 구상이다.

황상준 삼성전자 메모리개발담당 부사장은 이날 “기존에 검증된 공정을 적용하던 전례를 깨고 1c D램(10나노급 6세대) 및 파운드리 4나노와 같은 최선단 공정을 적용했다”며 “공정 경쟁력과 설계 개선을 통해 성능 확장을 위한 여력을 충분히 확보함으로써 고객의 성능 상향 요구를 적기에 충족할 수 있었다”고 밝혔다.

삼성전자는 이번 설 연휴 직후 양산 출하를 계획했으나 고객사와 협의를 거쳐 일정을 일주일가량 앞당긴 것으로 알려졌다. HBM4는 엔비디아가 다음달 공개할 차세대 AI 가속기 ‘베라 루빈’에 탑재돼 GPU의 고등 연산을 지원할 전망이다. HBM은 D램 메모리를 여러 층으로 쌓아 연산에 필요한 메모리 자원을 크게 늘린 반도체 소자다.

적층된 메모리를 밑에서 받치고 있는 하단의 베이스다이에는 성능과 전력 효율 측면에서 유리한 4나노 공정을 적용했다. 그 결과 JEDEC(국제 산업 표준 기구)의 업계 표준인 8Gbps를 약 46% 상회하는 11.7Gbps의 동작 속도를 안정적으로 확보했다. 이는 전작 HBM3E의 최대 핀 속도인 9.6Gbps 대비 약 1.22배 향상된 수치다. 삼성전자 관계자는 “최대 13Gbps까지 구현이 가능해 AI 모델 규모가 커질수록 심화되는 데이터 병목을 효과적으로 해소할 것”이라고 말했다.

또 삼성전자의 HBM4는 단일 스택 기준 총 메모리 대역폭을 전작 HBM3E 대비 약 2.7배 향상된 최대 3.3TB/s 수준으로 끌어올렸다. 이는 고객사 요구 수준인 3.0TB/s를 상회한다. 또 삼성전자의 HBM4는 12단 적층 기술을 통해 24~36GB의 용량을 제공하며, 고객사의 제품 일정에 맞춰 16단 적층 기술을 적용해 최대 48GB까지 용량을 확장할 계획이다.

전력 소모와 열 집중 문제 해결에도 총력을 쏟았다. HBM은 컨트롤러 역할을 하는 베이스 다이와 D램을 수직으로 적층한 코어 다이로 구성된다. HBM4는 메모리와 GPU 사이에서 데이터를 주고받는 출입구인 데이터 전송 I/O 핀 수를 1024개에서 2048개로 확대했고 이에 따라 발생하는 전력 소모와 열 집중 문제를 해결하기 위해 코어 다이에 저전력 설계 기술을 적용했다.

또 하나의 차별화된 지점은 ‘원스톱 솔루션’ 제공이다. 삼성전자는 세계에서 유일하게 로직, 메모리, 파운드리, 패키징까지 아우르는 반도체 회사다. 회사는 선단 패키징 역량을 자체적으로 보유하고 있어 공급망 리스크를 최소화하는 한편 생산 리드타임을 단축할 수 있는 경쟁력을 갖추고 있다.

삼성전자는 올해 HBM 매출이 지난해 대비 3배 이상 증가할 것으로 내다봤다. 또 HBM4에 이어 HBM4E도 준비해 올해 하반기에 샘플을 출하할 계획이다. HBM4E는 HBM4의 기본 구조를 기반으로, 동작 속도·대역폭·전력 효율을 한층 끌어올린 차세대 고대역폭 메모리다.

삼성전자는 또 AI 반도체 종류에 따라 메모리도 맞춤 설계해 성능을 극대화하는 커스텀(맞춤형) HBM도 내년부터 샘플을 출하한다. 엔비디아 GPU에 이어 구글 ‘텐서처리장치’(TPU), 마이크로소프트(MS) ‘마이아’ 등 빅테크들의 AI 반도체 자체 개발 경쟁이 격화하는 가운데 각각에 최적화한 HBM 설계 수요를 충족하겠다는 구상이다.

삼성전자가 세계 최초 HBM4 양산 및 출하로 포문을 연 데 대해 경쟁자인 SK하이닉스와 미국 마이크론은 자신만의 전략에 집중하는 분위기다. SK하이닉스 관계자는 “고객이 요청한 (HBM4) 물량을 차질 없이 양산 중이며, 현재 최적화를 진행하고 있다”고 밝혔다. 최대 고객사인 엔비디아의 차세대 AI 가속기 출시 일정에 맞춰 제품 완성도를 극대화하겠다는 ‘실리 전략’으로 읽힌다. 업계에 따르면 SK하이닉스는 엔비디아 HBM4 물량의 3분의2 이상을 확보한 것으로 알려졌다.

미국 마이크론 역시 HBM4 경쟁에서 밀려났다는 루머를 정면으로 반박하고 나섰다. 마크 머피 마이크론 최고재무책임자(CFO)는 11일(현지시간) 콘퍼런스에서 ‘엔비디아 공급망 탈락설’을 일축하며 “올해 HBM 공급 물량은 이미 완판됐으며 수율 또한 계획대로”라고 말했다. 이에 따라 메모리 공급 부족 국면에서 한국·미국 반도체 기업들의 수주 경쟁은 한층 격화될 전망이다.

장진복·민나리 기자