TSMC가 6세대 고대역폭메모리(HBM4)부터 그동안 메모리 영역이었던 로직(베이스) 다이 제조에 직접 나선다고 선언하면서 향후 HBM 시장에 주도권 변화가 예고된다.
앞서 지난 4월 SK하이닉스는 TSMC와 HBM4 공동 개발을 공식 발표한 바 있어 양사의 동맹이 주목되고 있는 상황이다. 반면 메모리와 파운드리 사업을 모두 관장하는 삼성전자는 토탈 패키징 솔루션을 앞세워 경쟁력을 강화한다는 방침이다.
AI 시대 HBM 시장이 확대되고 있는 가운데 칩설계, 메모리, 파운드리 업계의 주도권 경쟁이 더욱 심화될 수 있음을 시사하는 대목이다.
■ TSMC, 12나노·5나노 로직다이 직접 생산
대만 파운드리 업체 TSMC는 지난 14일 네덜란드 암스테르담에서 열린 ‘TSMC 유럽 기술 심포지엄’ 행사에서 HBM4에 12나노미터(mn·10억분의 1m)급과 5나노급 로직(베이스) 다이를 사용하겠다고 밝혔다.
HBM은 여러 개 D램을 수직으로 연결해 기존 D램보다 데이터 처리 속도를 대폭 끌어올린 고성능 제품이다. 시장에 출시된 5세대 HBM(HBM3E)까지는 D램과 베이스 다이를 SK하이닉스와 같은 메모리 업체가 생산하고, TSMC는 이를 받아 기판 위에 GPU(그래픽처리장치)와 나란히 패키징(조립)한 후 엔비디아에 공급해 왔다. 베이스 다이는 GPU와 연결돼 HBM을 컨트롤하는 역할을 수행한다.
그러나 내년 양산 예정인 HBM4부터는 TSMC가 12나노 또는 5나노급 로직 다이를 활용해 직접 만든다.
TSMC는 이 작업을 위해 N12FFC+(12나노)와 N5(5나노) 프로세스의 변형을 사용할 계획이다. 현재 SK하이닉스, 마이크론 등은 메모리 팹이 고급 로직 다이를 생산할 수 있는 장비를 갖추고 있지 않기 때문에 TSMC는 HBM4 제조 프로세스에서 유리한 위치를 차지할 것으로 기대하고 있다.
TSMC의 설계 및 기술 플랫폼 수석 이사는 "우리는 HBM4 풀 스택과 고급 노드 통합을 위해 주요 HBM 메모리 파트너와 협력하고 있다"고 전했다.
TSMC에 따르면 12FFC+ 프로세스는 스택당 대역폭이 2TB/초가 넘는 12단(48GB) 및 16단(64GB)을 구축할 수 있어 HBM4 성능을 달성하는데 적합하다. N5로 제작된 베이스 다이는 훨씬 더 많은 로직을 포함하고 전력을 덜 소비하므로 더 많은 메모리 대역폭을 요구하는 AI 및 HPC(고성능컴퓨팅)에 유용할 전망이다.
HBM4는 더 많은 메모리 용량을 수용하기 위해 현재 사용되는 기술보다 더 발전된 패키징 방법을 채택해야 한다. 이에 TSMC는 자사 첨단 패키징 기술인 ‘CoWoS’ 기술을 업그레이드 중이라고 밝혔다. CoWoS는 칩을 서로 쌓아서 처리 능력을 높이는 동시에 공간을 절약하고 전력 소비를 줄이는 2.5D 패키지 기술이다.
TSMC는 "HBM4를 위해 CoWoS-L과 CoWoS-R을 최적화하고 있다"라며 "CoWoS-L과 CoWoS-R 모두 8개 이상의 레이어를 사용하고, 신호 무결성으로 2000개가 넘는 상호 연결의 HBM4 라우팅을 가능하게 한다"고 설명했다.
■ 삼성전자, 메모리-파운드리 토탈 솔루션 강점 앞세워
삼성전자는 첨단 공정 파운드리와 메모리 사업을 동시에 공급하는 맞춤형 토탈 솔루션을 강점으로 내세우고 있다. 메모리에서 HBM을 만든 다음 자체 파운드리 팹에서 패키징까지 모두 가능하다는 의미다.
반도체(DS) 부문 미주지역을 총괄하는 한진만 DSA 부사장은 올 초 기자들을 만나 “최근 고객사들은 파운드리 로직 공정에 자신의 IP나 새로운 IP를 넣어서 기존 메모리와 다른 맞춤형(커스터마이징) 솔루션을 만들고 싶다는 요구를 많이 한다”라며 “이것이 진정한 메모리와 파운드리의 시너지다”고 강조했다.
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현재까지 파운드리 시장에서는 AI 반도체 1위 엔비디아 물량을 차지한 TSMC가 앞서 나가고 있다. 또 엔비디아에 HBM3에 이어 HBM3E까지 공급을 확정한 SK하이닉스 또한 HBM 시장 1위를 차지한다. 엔비디아가 거래처 다변화를 추진함에 따라 삼성전자와 마이크론도 HBM을 공급할 가능성이 열려 있다.
반도체 업계 관계자는 "SK하이닉스의 HBM이 각광받는 이유는 품질이 좋은 것도 있지만, TSMC와 밀접한 협력 관계도 영향을 줬을 것"이라며 “TSMC가 HBM4 로직 다이에서 파운드리 경쟁사인 삼성전자와 협력하는 것이 쉽지 않아 보인다. 삼성전자는 HBM을 두고 메모리와 파운드리 두 부분에서 경쟁해야 하는 상황이 됐다”고 말했다.
