삼성전자 압도적 우위 뒤흔든 HBM…하이닉스 '독주' 언제까지

[MT리포트]AI시대 '핫템' HBM, 2라운드 승자는 누구(하)

HBM 시장 '독주' SK하이닉스, 풀어야 할 과제는 '생산능력 부족'

(서울=뉴스1) = 최태원 SK그룹 회장이 4일 경기도 SK하이닉스 이천캠퍼스 R&D센터에서 경영진에게 HBM웨이퍼와 패키지에 대한 설명을 듣고 있다. 왼쪽부터 최태원 회장, 곽노정 SK하이닉스 대표이사 사장, 최우진 SK하이닉스 P&T 담당. (SK 제공) 2024.1.4/뉴스1 Copyright (C) 뉴스1. All rights reserved. 무단 전재 및 재배포, AI학습 이용 금지. /사진=(서울=뉴스1)

SK하이닉스가 글로벌 HBM(고대역폭메모리) 시장을 주도하고 있다. 과거엔 부담스러워했던 '1위'라는 수식어를 스스럼없이 사용할 만큼 자신감이 붙었다.

탄탄한 기술력을 기반으로 연이어 '세계 최초 개발' 타이틀을 따내며 HBM 시장 수요에 적기 대응한 것이 원동력이 됐다. 다만 반도체 사업 실적 악화에 따른 투자 부진으로 생산능력을 충분히 늘리지 못한 것이 한계로 지적된다. 업계 예상대로 HBM 공급 부족이 심화하면 삼성전자 등 경쟁 업체가 틈새를 빠르게 파고들 수 있다.

◆ HBM 시장, 절반 이상이 SK하이닉스

[서울=뉴시스] 고승민 기자 = 이종호 과학기술정보통신부 장관이 28일 오후 경기 이천 SK하이닉스 이천캠퍼스를 방문해 반도체 생산라인을 투어 하며 설명을 듣고 있다. (사진=과학기술정보통신부 제공) 2023.11.28.재판매 및 DB 금지 /사진=고승민

글로벌 HBM 시장에서 SK하이닉스는 말 그대로 독주를 이어가고 있다. 지난해 4분기 영업이익 3460억원을 기록하며 1년 만에 흑자 전환에 성공한 주요 배경으로 'HBM 매출 5배 급증'이 꼽힌다.

'HBM 시장 1위'라는 수식어를 다소 부담스러워하던 내부 분위기도 달라졌다. SK하이닉스는 최근 뉴스룸에서 "올해 전사 역량을 결집해 이룬 HBM 1등 타이틀을 사수하고 더욱 강한 HBM 시장 리더십을 구축하는 것을 목표로 한다"고 밝혔다. SK하이닉스에서 HBM 세일즈·마케팅 조직을 이끄는 김기태 부사장은 "올해 HBM은 이미 '완판'"이라며 "시장 선점을 위해 벌써 2025년을 준비하고 있다"고 했다.

SK하이닉스는 잇달아 세계 최초로 HBM 개발에 성공, 수요에 적기 대응하며 1위 타이틀을 거머쥐었다. 이 회사는 △2013년 HBM(1세대) △2019년 HBM2E(3세대) △2021년 HBM3(4세대) △2023년 12단 HBM3 개발에 성공했는데 여기에 모두 '세계 최초'라는 수식어가 붙는다.

SK하이닉스는 엔비디아에 HBM3를 공급하고 있다. 지난달에는 현존 최고 사양인 HBM3E(5세대) 개발을 공식 종료했고 3월 엔비디아 납품을 계획하고 있다. 요구 조건이 까다로운 엔비디아를 상대로 잇달아 납품 성과를 거두며 높은 기술력이 증명됐다. D램 최선단 미세 공정인 10나노(㎚) 5세대(1b) 개발 경쟁에서 삼성전자를 앞지른 것이 주효했다. HBM3E는 1b 기반이다. 업계는 반도체 제조 공정 난이도가 높아지면서 연구원 간 유기적 협업이 중요해졌는데 '제너럴리스트 연구원'이 많은 SK하이닉스의 인력 구조가 도움이 됐다고 평가한다. SK하이닉스가 경쟁사와 비교해 수율이 높아 고객사 선호가 높다는 분석도 있다.


이종환 상명대 시스템반도체공학과 교수는 "일반적으로 반도체 기업은 생산 과정에서 계속 문제점을 보완하기 때문에 생산을 늘릴수록 수율이 높아지는 경향이 있다"며 "SK하이닉스가 HBM 생산 경험이 많은 만큼 상대적으로 수율이 높은 것으로 추정할 수 있다"고 말했다.

◆ "돈이 부족해" 캐파 부족, 발목 잡을까

(서울=뉴스1) = 최태원 SK그룹 회장이 4일 경기도 SK하이닉스 이천캠퍼스 R&D센터에서 경영진들과 반도체 현안을 점검하고 있다. (SK 제공) 2024.1.4/뉴스1 Copyright (C) 뉴스1. All rights reserved. 무단 전재 및 재배포, AI학습 이용 금지. /사진=(서울=뉴스1)

SK하이닉스의 HBM 시장 독주는 당분간 계속될 전망이다. 그러나 캐파(CAPA, 생산능력) 부족이 발목을 잡을 수 있다는 우려가 나온다. 업계는 AI(인공지능) 시장의 폭발적 성장으로 HBM 공급 부족이 점차 심화할 것으로 예상한다. 올해 메모리 3사의 HBM 출하량이 수요의 절반에 불과할 것이란 관측이다.

이런 상황에서 SK하이닉스가 캐파 부족으로 시장 수요를 맞추지 못하면 삼성전자 등 경쟁사가 공백을 빠르게 메울 수 있다는 분석이 나온다. 향후 경쟁사 간 HBM 기술이 비슷한 수준에 도달하면 결국 돈을 버는 것은 '캐파 경쟁'에서 살아남는 기업이 될 가능성이 높다.

SK하이닉스의 주요 공장 건설 계획이 잇달아 지연되면서 캐파 확대에 한계가 있다는 분석이 나온다. 2022년 하반기 시작된 반도체 업황 불황에 따른 실적 악화로 투자가 전반적으로 위축된 영향으로 보인다. 지난해 SK하이닉스는 연간 7조7000억원 영업손실을 기록했다.

SK하이닉스는 지난 2022년 청주에 4조3000억원을 투자해 신규 반도체 공장 M17을 증설할 계획이었지만 여전히 보류 상태다. 올해 2월 재개 예정이었던 청주 M15X 공사 일정도 연기했다. 당초 계획은 M11, M12 라인 2개를 합친 것과 비슷한 규모의 M15X를 2025년 완공한다는 목표였지만 반도체 시장 불황으로 건설이 계속 미뤄졌다.

다만 SK하이닉스도 HBM 수요 확대를 전망하고 올해 캐파를 지난해 대비 2배 늘리기로 했다. SK하이닉스는 지난 1월 지난해 4분기 실적발표 후 진행한 컨퍼런스콜에서 ""HBM 캐파를 올해 지난해 대비 2배 늘리고 서플라이 현황을 고려해 추가 투자를 결정하겠다"고 밝혔다.

'HBM 왕좌' 노리는 삼성전자, '초격차' 승부수 통할까

삼성전자 36GB HBM3E 12H 개발 개요/그래픽=이지혜

삼성전자가 HBM3E 12단 개발에 성공하며 '회심의 카드'를 꺼내들었다. 삼성전자는 이번 HBM3E 12H(12단 적층)부터 '게임의 방식'을 바꾸겠다고 벼른다. 그동안 축적한 양산 노하우와 혁신적인 D램 적층 기술, 그리고 세계 최고 수준의 공급 역량을 앞세워 '추격자'에서 '선도자'로 치고 나가겠다는 전략이다.

삼성전자는 전통적인 성공 공식인 '초격차' 전략을 이번에도 구사한다. HBM3E는 지금까지 실전에 적용 사례가 없는 최신 HBM이다. 엔비디아가 올해 2분기 내놓을 예정인 H200 텐서 코어 GPU는 24GB HBM3E 8H를 탑재한다. 삼성전자는 업계 최신 제품에 탑재될 사양보다 한 차원 더 높은 제품(36GB 12H)을 앞서 내놓는 셈이다. 삼성전자는 이 제품을 상반기 양산한다. 당장 손익 계산에 몰입하기 보단, 중장기적 관점에서 시장을 바라보고 기술 리더십을 주도하겠다는 담대한 도전이다.

시장 변화 대응이 늦었던 대가는 혹독했다. 지난해 인공지능(AI) 반도체 수요가 폭발적으로 증가하면서 HBM 4세대(HBM3) 시장이 열렸지만, 엔비디아의 AI용 반도체 'H100'에 탑재되는 HBM3를 사실상 독점한 SK하이닉스의 독주를 바라만 봐야 했다.

본래 삼성전자는 HBM 강자였다. 삼성전자 반도체는 2016년 업계 최초로 HPC(고성능 컴퓨팅) 향 HBM 사업화를 시작하며, AI 메모리 시장을 개척했다. 2017년에는 업계 최초로 8단 적층 HBM2(2세대) 상용화에 성공했다. 이 제품은 당시 가장 빠른 메모리인 GDDR5 보다 8배 빠른 속도를 제공했다. 이후 초당 최대 460GB(기가바이트)의 데이터를 처리하는 3세대 HBM2E를 내놨고, 삼성전자는 HBM2와 HBM2E 시장을 주도했다.

그러나 HBM3(4세대)부터 스텝이 꼬였다. 당시 삼성전자는 HBM에 집중하기 보단 다양한 미래 메모리 기술에 초점을 맞췄다. 결국 삼성전자는 지난해 3분기 들어서야 HBM3 양산을 시작할 수 있었다.

시장의 변화는 예상을 뛰어넘었다. 경계현 삼성전자 디바이스솔루션(DS) 부문장(사장)은 지난 1월 자신의 SNS(소셜미디어)에 "챗GPT가 등장하고 퍼블릭 클라우드 업체들이 노멀 서버 투자를 줄이고 그래픽처리장치(GPU) 서버에 투자를 늘렸을 때 한정된 예산 탓이라고, 시간이 지나면 노멀 서버 투자가 다시 시작될 것이라고 믿었던 적이 있었다"며 "그런데 그런 일은 생기지 않았다"고 썼다. 경 사장은 "컴퓨팅에 근본적인 변화가 생긴 것"이라고 진단했다.

삼성전자는 지난 10월 5세대 HBM3E 8H(8단 적층)를 공개했다. HBM3에서의 실기(失期)를 HBM3E에서 만회하겠다는 계획이었으나, 일단 양산에선 SK하이닉스가 앞섰다. 그러나 삼성전자는 이번 HBM3E 12H 개발로 자신감을 되찾은 모습이다. HBM3에서의 12H 양산 경험을 통해 얻은 노하우와 적층 기술력 등을 통해 HBM3E 12H를 안정적으로 생산할 수 있다고 판단했기 때문.

다른 경쟁사보다 월등한 캐파(CAPA·생산능력)를 갖췄다는 점도 자신감을 보이는 이유다. 삼성전자는 HBM 공급 역량을 업계 최고 수준으로 유지하기 위해서 올해 작년 대비 2.5배 이상 캐파를 확보해 운영할 계획이다. 칩 적층에 필요한 TSV(실리콘 관통전극) 공정 캐파 역시 삼성전자가 경쟁사를 앞선다. 업계 관계자는 "월등한 캐파를 보유한 삼성전자가 성능과 수율만 제대로 확보한다면 시장 점유율을 크게 높일 수 있을 것"이라고 전망했다.

삼성전자는 전체 HBM 판매 수량에서 HBM3와 3E가 올 상반기 절반 이상을 차지하고, 하반기에는 90%에 도달할 것으로 기대한다.

향후 로직칩을 추가해 성능을 고객별로 최적화한 '맞춤형 HBM'이 대세가 될 가능성도 있다. 이럴 경우 파운드리, 시스템LSI, 패키징 기능을 모두 갖추고 있는 삼성전자의 '종합 반도체' 시너지가 본격화할 전망이다. 삼성전자는 차세대, HBM4시장에서 '역전'을 노린다. 삼성전자는 2025년 HBM4 샘플을 내놓고 2026년 양산에 들어갈 계획이다.

'삼성·하이닉스보다 먼저'…마이크론의 역습, 의문부호 붙는 까닭

/사진 = 조수아 디자인기자

메모리 3위 마이크론이 삼성전자와 SK하이닉스의 양강 체제에 도전장을 냈다. 미래형 D램인 HBM(고대역폭메모리) 신제품을 출시하고, 대만·일본 생산량 확대 등 굵직한 투자안을 잇따라 발표했다. 탁월한 설계 기술력을 앞세워 HBM을 돌파구로 삼겠다는 계획이지만, 업계의 의구심은 여전하다. 양대 업체에 비해 생산능력이 부족하고, 여전히 개발 속도가 느리기 때문이다.

마이크론은 27일 HBM3E 양산을 발표했다. 삼성전자나 SK하이닉스보다 양산시점이 한 발 빠르다. 24GB 용량의 8H(8단) HBM 3E는 2분기부터 출하가 시작되는 엔비디아의 'H200'에 탑재된다. 출시 전부터 공언했던 전력소모량 감축과 성능 개선도 자신했다. 산제이 메로트라 마이크론 최고경영자(CEO)는 "경쟁사보다 전력 소모량이 30% 적고, 성능은 10% 뛰어난 HBM3E를 선보이겠다"고 말했다.

마이크론의 올해 HBM 분야 계획은 크게 3가지다. 첫번째는 초미세공정 기술인 1베타(β)와 1감마(γ) 공정을 활용한 HBM 생산이다. 업계 최선폭인 1베타 D램을 바탕으로 생산하는 HBM은 성능만 놓고 봤을 때 SK하이닉스의 HBM3E(5세대)와 동일하다.

둘째는 해외 팹(생산시설)의 확대다. 일본 정부의 보조금 1조 7000억원을 앞세운 히로시마 팹 외에도 대만에서 HBM 투자를 확대하는 방안을 검토 중이다. 그간 삼성·SK하이닉스에 비해 생산 능력이 떨어졌던 만큼 HBM 분야에서만큼은 생산량이 뒤처지지 않겠다는 의욕이 강하다. 마지막으로는 고객사와의 협력 확대가 꼽힌다. 마이크론은 주요 고객사와 퀄리티(품질) 테스트를 진행 중인 것으로 알려졌다.

기술력 문제는 여전히 발목을 잡는다. 마이크론이 HBM 시장에 뛰어든 시기는 2018년이다. 삼성전자·SK하이닉스는 2010년대 초반부터 투자에 나섰다. 양산 시점과 시제품 개발 속도 모두 늦다. 2대 제조사가 HBM3E 상용화 계획을 발표하자 마이크론도 부랴부랴 HBM3E를 올해부터 만들겠다고 밝혔다. HBM3(4세대)를 건너뛰고 생산하는 만큼 노하우는 물론 성능·수율에도 의문부호가 붙는다.

또 다른 복병은 웨이퍼당 생산 칩 숫자를 의미하는 넷 다이(Net Die)다. 같은 공정 수준에서도 마이크론은 선폭이 넓어 넷 다이가 떨어지기 때문에, 생산 효율이 낮다. 통상 테크 전환 시 넷 다이는 20~30% 증가하지만, 마이크론이 HBM3E 공정으로 전환할 당시 유의미한 변동은 없었다는 것이 업계의 평가다. 업계 관계자는 "동일 공정 기준이라면 마이크론의 효율은 삼성·하이닉스보다 떨어진다"고 말했다.

생산 능력이 모자라는 점도 문제다. 마이크론의 D램 생산능력은 월 웨이퍼 30만장(지난해 1분기 기준)으로, 같은 기간 삼성전자(약 70만장)나 SK하이닉스(약 44만장)에 뒤쳐진다. HBM 분야에서 생산능력을 크게 증가시키겠다고 발표했으나, 경쟁사에 비해 규모가 작다. 삼성전자는 올해 HBM 공급 물량을 전년 대비 2.5배 늘리겠다고 했고, SK하이닉스도 2배 이상 확대할 방침이다.

업계는 마이크론의 5세대 HBM 계획이 구체화되면서 경쟁이 격화할 것으로 내다본다. HBM 생산 업체 핵심 관계자는 "그간 마이크론은 HMC(하이브리드 메모리 큐브) 투자에 주력해 왔고 뒤늦게 HBM 경쟁에 참여했기 때문에 아직은 경쟁력이 떨어진다는 것이 지배적인 평가"라며 "가장 먼저 5세대 양산에 성공했지만, 단기간에 시장점유율을 높이기는 어려울 것"으로 전망했다.