TSMC와 경쟁하는 삼성, HBM 사업에 악영향주나

[이슈진단+] 삼성전자 파운드리 사업의 딜레마

글로벌 메모리 시장 1위 자리를 공고히 지켜온 삼성전자가 차세대 메모리로 주목되는 고대역폭메모리(HBM) 분야에서는 SK하이닉스에 밀리며 자존심을 구기고 있다. 최근엔 HBM 후발주자인 미국 마이크론과의 경쟁에서도 '미국 우선주의' 정책 구도로 인해 쉽지 않을 것이란 우려의 목소리가 나온다. 메모리와 파운드리 사업을 한집에서 하는 삼성전자를 견제하는 세력이 많아지고 여러 이해충돌로 시장 입지도 예전보다 줄어드는 모양새다.

업계에서는 뚝심 있게 2010년대 초반부터 HBM 사업을 밀어붙인 SK하이닉스와 달리 삼성전자가 HBM의 성장 가능성을 크게 보지 않고, 뒤늦게 개발에 나서면서 HBM 시장에서 '초격차' 기회를 놓쳤다고 지적한다.

또 HBM 사업은 최대 고객사인 엔비디아 칩을 생산하는 대만 파운드리 TSMC와 협업이 중요한데, TSMC가 파운드리 경쟁사인 삼성전자와 협업을 꺼려해 삼성의 메모리 사업에도 영향을 미친다는 분석이 나온다. 

반면 SK하이닉스와 마이크론은 TSMC와 패키징 협력을 맺고 있어서 대조된다.

2022년 6월 30일 삼성전자 파운드리사업부 (좌측부터) 정원철 상무, 구자흠 부사장, 강상범 상무가 화성캠퍼스 3나노 양산라인에서 3나노 웨이퍼를 보여주고 있다. (사진=삼성전자)

■ 삼성전자, HBM 성장 가능성 예측 못해…SK하이닉스에 초격차 밀려

SK하이닉스는 HBM 시장에서 독보적인 1위로 자리매김했다. 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 지난해 HBM 시장에서 SK하이닉스가 53%, 삼성전자 38%, 마이크론 9%를 차지한다. 올해도 SK하이닉스는 선두 자리를 이어간다는 전망이 우세하다.

SK하이닉스는 엔비디아 AI용 그래픽처리장치(GPU) H100에 HBM3을 독점 공급하는 등의 성과로 전체 D램 매출 성장을 이끌었다. 아울러 SK하이닉스는 엔비디아가 올해 2분기 출시하는 B100에도 HBM3E 공급이 확정됐으며, 오는 3월 양산을 앞두고 있다. 엔비디아는 AI용 GPU 시장에서 80% 점유율을 차지하는 대형 고객사다.

후발 주자인 마이크론 또한 지난 26일(현지시간) HBM3E 양산 시작을 알리며, 엔비디아 B100에 공급을 공식적으로 알렸다. 삼성전자도 지난해 말 엔비디아에 HBM3E 샘플 공급을 시작했지만, 아직까지 공식적인 공급 소식은 알려지지 않고 있다.

만년 메모리 2위 주자였던 SK하이닉스가 HBM 시장에서 1위를 할 수 있었던 배경은 2013년 첫 HBM 시제품을 내놓는 시점부터 지금까지 기술 개발을 꾸준히 해온 결과다. SK하이닉스는 △2013년 1세대(HBM) △2019년 3세대(HBM2E) △2021년 4세대(HBM3) △2023년 8월 12단 HBM3 개발을 하기까지 세계 최초를 놓치지 않았다.

SK하이닉스 2023년 HBM 주요 성과(사진=SK하이닉스)

반면 삼성전자는 HBM 시장 성장성을 내다보지 못했다. 반도체 업계 관계자에 따르면 김기남 전 부회장 시절 삼성전자는 HBM 개발 예산을 삭감하고, 개발에 소홀히 한 결과 당시 삼성전자에서 HBM을 개발하던 개발자 상당수는 SK하이닉스로 이직했다. 이는 '반도체 초격차' 기술을 강점으로 앞세워 왔던 삼성전자가 HBM 시장에서 SK하이닉스 보다 뒤쳐진 이유로 꼽힌다. 

하지만 삼성전자는 지난 28일 세계 최초로 36GB 12단 HBM3E 샘플 공급을 시작했고, 상반기 중으로 양산할 계획을 알리며 다시금 '초격차' 자신감을 내보이고 있는 모습이다. 삼성전자는 다음 세대인 HBM4를 2025년 샘플링하고, 2026년 양산을 목표로 개발 중이라고 밝혔다. 

■ 엔비디아 칩 생산하는 TSMC와 '패키징 얼라이언스'가 경쟁력

일각에서는 삼성전자가 파운드리 사업을 병행하고 있기 때문에 HBM 고객사 확보 측면에서 SK하이닉스보다 불리한 측면이 존재한다고 말한다. 엔비디아 GPU 생산을맡고 있는 TSMC가 파운드리 경쟁사인 삼성전자와 패키징 협력을 꺼릴 수 밖에 없다는 분석이다.

HBM은 완제품이 생산되더라도 이를 GPU와 결합하는 패키징 단계가 추가로 필요하다. 고객과 메모리 업체 간의 협업뿐만 아니라 후공정 업체와의 긴밀한 협업도 필요하기 때문에 원활한 수요 충족을 위해서는 서플라이 체인 간 병목이 없어야 한다. 일례로 엔비디아가 TSMC에 GPU 생산을 맡기면, TSMC는 GPU를 만든 다음 보드에 메모리 업체로부터 받은 HBM과 GPU를 붙여 패키징을 한다.

SK하이닉스는 HBM 개발 초창기부터 TSMC와 패키징 기술 협력을 지속해왔다. 이에 엔비디아가 SK하이닉스의 HBM을 더 선호할 수 있다는 것이 전문가들의 의견이다. 작년부터 마이크론이 자사 HBM 기술 홍보를 진행하면서 TSMC와 3D 패키징 얼라이언스 파트너십을 맺었다고 강조하는 것도 이런 이유다. 더 나아가 마이크론은 TSMC와 패키징 협력 강화를 위해 지난해 6월 대만 타이중에 차세대 D램 팹을 만들고 이곳에서 HBM3E 생산을 시작했다.

삼성전자가 36GB(기가바이트) 12단 HBM3E를 개발했다. (사진=삼성전자)

김형준 차세대지능형반도체사업단 단장은 "TSMC 입장에서 SK하이닉스는 경쟁자가 아니니까 예전부터 메모리와 관련해 상의를 많이 해오며 관계가 좋았다"라며 "SK하이닉스의 HBM이 각광받는 이유는 품질이 좋은 것도 있지만, TSMC와 밀접한 협력 관계도 영향을 줬을 것"이라고 진단했다.

권석준 성균관대 교수(화학공학과)는 "HBM은 애초에 이종접합과 칩렛 패키징이 동반되어야 하고, 무엇보다도 HBM 모듈과 최적 배치되어야 하는 GPU 코어와의 인터커넥션이 제일 중요하다. 그래서 HBM은 그냥 잘 만들고 잘 쌓는다고 될 일은 아니고, 코어 연결 맞춤형 최적화가 필요하다"고 말한다.

권 교수는 또 "이는 메모리회사로 하여금 메모리를 넘어, 아예 프로세서 아키텍처와 설계부터 같이 참여하고, 그것을 공정의 최적화에 같이 반영하는 이른바 DTCO(design-technology cooptimization)을 완성해야 한다"라며 "이는 메모리회사로 하여금 더 협업 마인드를 갖추는 것을 요구하며, 사실상 코어 회사들을 갑으로, 메모리회사가 을로 작동하는 구조를 받아들여야 한다"고 강조했다.

최근 삼성전자 파운드리가 '설계-파운드리-메모리' 토탈 솔루션을 강조하고 있는 것도 이런 이유 때문이다. 삼성전자는 파운드리에서 AI 반도체를 생산함에 있어 HBM까지 공급해 맞춤형 제품을 제공할 수 있다고 말한다.

권 교수는 "삼성전자가 마이크론이나 SK하이닉스와 차별화될 수 있는 포인트는 여전히 많이 남아 있다"라며 "가장 큰 장점은 파운드리와 메모리를 동시에 할 수 있다는 것이고, 엔드 단에서 모바일이든, 랩탑이든, 가전이든, 전장이든, 애플리케이션 다변화에 대해 다양한 소비자 요구 조건을 테스트할 수 있는 플랫폼 자체가 많다는 것을 내세울 수 있다"고 말했다.