HBM 6세대까지 확장···쫓고 쫓기는 삼성·SK, 수주전 치열

미국의 엔비디아와 AMD가 인공지능(AI)에 쓰이는 그래픽저장장치(GPU) 신제품을 연이어 선보인다. 이전 제품보다 처리 속도와 용량 면에서 더 뛰어난 만큼 GPU에 필수적으로 쓰이는 고대역폭메모리(HBM) 반도체 사용량도 증가할 것으로 예측된다. D램 16개를 적층한 6세대 HBM은 오는 2026년 출시될 예정이다.

전방산업의 수요 부진으로 반도체 업계가 몸살을 앓고 있으나 HBM 효과는 수치로서 증명되고 있다. 시장을 빠르게 선도한 SK하이닉스가 D램 시장에서 삼성전자와 어깨를 나란히 했을 정도다. 고부가가치 제품의 수요 비중이 빠르게 확대되고 있는 만큼 삼성전자와 SK하이닉스의 '수주전'도 격화될 전망이다.

엔비디아에 AMD까지···HBM3e 탑재 GPU 출시
30일 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 엔비디아는 HBM3e 6개를 사용한 GPU H200과 8개를 쓰는 B100을 2024년 출시한다. 또 영국 반도체 설계 기업 ARM 기반의 CPU(중앙처리장치)와 GPU를 통합한 GH200과 GB200도 동시에 선보이기로 했다.

엔비디아의 추격자로 나선 AMD도 HBM을 탑재한 GPU를 선보일 전망이다. 트렌드포스는 "AMD는 HBM3을 넣은 MI300 시리즈를 내년에 선보인 이후 MI350을 위해 HBM3e로 전환할 것"이라며 "내년 하반기 MI350에 대한 HBM 검증을 시작할 것으로 예상되며 2025년 1분기에 제품을 출시할 것"이라고 밝혔다.

HBM은 첨단 패키지 방식인 TSV(실리콘 관통전극) 기술을 적용해 여러 개의 D램을 수직으로 연결한 반도체를 뜻한다. 일반적으로 1000개 이상의 DQ(데이터 전송 통로)를 확보해 물리적인 면적이 늘어나고 데이터 처리 속도를 혁신적으로 끌어올릴 수 있어 데이터 병목 현상이 발생하는 D램의 단점을 극복할 수 있다.

반도체 업계는 1세대 HBM을 'HBM'으로 명시한 뒤 기술 개발에 따라 HBM2(2세대), HBM2e(3세대), HBM3(4세대), HBM3e(5세대) 등으로 지정했다. 6세대 제품인 HBM4는 엔비디아와 기타 CSP(클라우드 서비스 제공 사업자)의 사업 계획에 맞춰 2026년 출시될 것으로 예측됐다. 기존 제품은 D램 칩 12개까지만 적층하지만 HBM4는 16단으로 구성될 것이라는 게 트렌드포스의 설명이다.

HBM3e 공급은 마이크론이 한발 앞서 진행 중이다. 트렌드포스는 "마이크론은 지난 7월 엔비디아에 24기가바이트(GB) HBM3e 샘플을 제공했고 SK하이닉스는 8월 중순에, 삼성전자는 10월 초에 제공했다"고 전했다.

삼성·SK 'D램 점유율' 10년 만에 최소···HBM 쟁탈전 후끈
반도체 업계는 전방산업의 수요 둔화로 몸살을 앓고 있으나 HBM 효과는 확실하게 입증되고 있다. 특히 SK하이닉스는 HBM을 앞세워 삼성전자와의 D램 점유율 격차를 5%포인트 이하로 줄이면서 AI 낙수효과를 톡톡히 누리고 있다. 엔비디아 GPU에 쓰이는 HBM3는 SK하이닉스가 올해 3분기까지 독점 공급했던 것으로 알려졌다.

올해 3분기 글로벌 D램 시장에서 시장조사업체 옴디아가 조사한 삼성전자의 점유율은 39.4%, SK하이닉스는 35%로 집계됐다. 점유율은 올해 1분기 18.1%포인트 차이가 났으나 2분기는 9%, 3분기는 4.4%포인트차로 절반씩 좁혀지는 추세다.
양사 D램 점유율 격차가 가장 컸던 시기는 2016년 3분기로 당시 삼성전자가 48.2%, SK하이닉스가 24.1%를 기록하며 24.1%포인트까지 벌어졌다. 역대 최소 폭은 삼성전자가 25.7%, SK하이닉스가 22.4%를 점유한 2007년 1분기다. 이번 분기 점유율 차이는 2013년 2분기(3.5%) 이후 10년 만에 최소치다.

SK하이닉스는 지난 2013년 세계 최초로 HBM을 개발한 데 이어 2019년에는 업계 최고속 HBM2E를 내놓았다. 또 2021년에는 최초로 HBM3를, 올해 4월에도 12단 적층 HBM3를 가장 먼저 선보이기도 했다. 반면 삼성전자는 1세대 HBM은 생산하지 않았고 HBM2를 2016년부터, HBM2E는 2020년부터 양산하기 시작했다.

업계 관계자는 "당시 SK하이닉스는 메모리 반도체가 2010년대 초반 PC에서 벗어나 다양한 애플리케이션으로 사용처가 확대될 것으로 내다봤다"며 "시간이 지날수록 용량은 늘리고 처리 속도를 끌어올리는 반도체 개발에 대한 필요성으로 HBM을 개발했다"고 말했다.

현재 D램 시장에서 HBM 규모는 10% 수준에 불과하나 AI 분야가 커지면서 비중이 크게 확대될 것이란 분석이 나온다. 시장조사업체 가트너는 글로벌 AI 반도체 시장 규모가 올해 553억달러에서 2026년에는 861억달러까지 성장할 것으로 전망했다. 또 지난해 11억달러에 그쳤던 HBM 시장 규모는 2027년 51억7700만달러까지 늘어날 것이라고 내다봤다.

AI 수요 확대로 삼성전자와 SK하이닉스의 HBM 쟁탈전은 앞으로도 이어질 것으로 보인다. 앞서 3분기 실적 컨퍼런스콜 당시 삼성전자는 "현재 HBM2e에 이어 HBM3 및 HBM3e 신제품에 대한 사업을 확대하고 있다"며 "내년 HBM 공급 역량은 올해 대비 2.5배 이상 확보할 계획"이라고 밝혔다.

SK하이닉스는 "고객이나 시장 관계자들의 이야기로는 당사의 HBM3e 생산능력(CAPA) 점유율이 압도적인 것으로 이해하고 있다"며 "HBM2e, HBM3, HBM3e, HBM4까지 연계해 제품 전환 속도가 매우 빨라 기존에 갖고 있는 양산 품질, 성능 등 경험치 관점에서 봤을 때 당사에게 유리한 환경이라고 보고 있다"고 전했다.