D램 공정 한계 드러나자 파운드리 전환 가속…삼성·SK, 선제 대응

마이크론 비용 절감 위해 보수적 선택…HBM4E 시점에 TSMC 활용

SK하이닉스가 생산한 HBM4 12단 샘플 [ⓒSK하이닉스]

[디지털데일리 배태용 기자] AI 서버 확산으로 HBM(고대역폭 메모리)이 반도체 업계의 핵심으로 부상, 업계 안팎에서는 '베이스 다이(Base Die)'의 변화에 관심이 쏠고 있다. 지금까지는 D램(DRAM) 공정으로 만들어졌던 이 베이스 다이가, HBM4부터는 파운드리 공정으로 전환되는 흐름을 보이고 있기 때문이다. 삼성전자와 SK하이닉스, 마이크론이 각기 다른 전략으로 HBM4 시대를 준비하고 있다.

◆ 베이스 다이, HBM의 '두뇌' 역할 = 28일 메모리 업계에 따르면, 글로벌 메모리 3사는 차세대 HBM4 양산을 앞두고 베이스 다이 구조를 대대적으로 손보고 있는 것으로 파악된다. AI 연산량이 기하급수적으로 늘어나면서, 단순한 메모리 적층을 넘어 신호 처리·전력 효율까지 좌우하는 베이스 다이의 역할이 한층 중요해지고 있기 때문이다.

HBM은 여러 장의 D램 다이를 TSV(실리콘 관통 전극)로 적층해 대역폭을 극대화한 메모리이다. 여기서 베이스 다이는 가장 아래층에서 신호를 받아 올리고, 로직 기능을 수행해 전체 HBM의 성능과 안정성을 좌우한다. HBM의 '두뇌'이자 '신호 제어 센터'라고 할 수 있다.

HBM3E까지는 이 베이스 다이를 D램 공정으로 제작해왔다. 디램 업체들이 직접 로직을 설계하고, 이를 자사 D램 라인에서 생산하는 구조였는데, 하지만 D램 공정은 평면(Planar) 트랜지스터 기반이라 속도, 신호 무결성, 전력 효율 측면에서 파운드리의 핀펫(FinFET) 공정보다 뒤처진다는 약점이 있다.

이러한 가운데, AI 서버의 성능 요구가 높아지면서 이 한계가 본격적으로 드러나기 시작했다. 이런 이유로 삼성전자와 SK하이닉스는 HBM4부터 베이스 다이를 파운드리 공정으로 전환하기로 결정한 것으로 전해진다. 고성능 연산에서 발생하는 발열, 신호 지연 문제를 해결하고, 전력 효율까지 개선하기 위해서다. 파운드리 공정을 활용하면, 기존 D램 공정보다 더 미세한 선폭과 정교한 트랜지스터 구조를 적용할 수 있어, 고속 연산에 적합한 베이스 다이를 구현할 수 있다.

반면 마이크론은 다른 길을 선택했다. HBM4까지는 기존대로 D램 공정으로 베이스 다이를 생산하되, HBM4E 시점부터는 TSMC 파운드리를 활용하겠다는 전략이다. 당장 생산 효율성과 비용을 고려한 판단으로 보이지만, 장기적으로는 파운드리 공정 전환을 피하기 어렵다는 점에서 결국 뒤늦게 따라잡는 그림이 될 가능성이 크다.

마이크론이 건설 중인 뉴욕 메가 팹. [ⓒ마이크론]

◆ 왜 각자 다른 전략을 택했을까 = 업계에선 삼성전자와 SK하이닉스가 발 빠르게 파운드리 공정으로 옮기는 이유에 대해 엔비디아, AMD 등 주요 GPU 고객사가 요구하는 수준은 이미 D램 공정으로는 한계가 있다고 판단했기 때문으로 풀이한다. 기술 리더십을 확보하려면, 선제적으로 파운드리 공정을 도입해 성능과 안정성을 보장하는 것이 필수적인 상황이라는 것.

마이크론은 상대적으로 보수적인 행보를 택한 것으로 평가되는데, D램 공정의 기존 인프라를 최대한 활용해 비용 경쟁력을 유지하면서, 추후 HBM4E 시점에서 TSMC의 파운드리 역량을 빌려 안정적인 전환을 노리겠다는 계산으로 풀이된다. 다만 단기적인 비용 절감에는 유리할 수 있어도, 성능을 최우선으로 하는 엔비디아 같은 고객사 확보 경쟁에서는 불리하게 작용할 가능성이 있다.

업계 관계자는 "HBM은 적층 D램의 물리적 한계를 극복하기 위해 나온 제품이지만, 이제는 베이스 다이의 로직 성능이 전체 시스템 성능을 좌우하는 단계에 와 있다"라며 "삼성과 하이닉스가 베이스 다이 공정을 파운드리로 옮긴 건 단순한 제조 방식의 변화가 아니라, HBM 경쟁 판도를 새롭게 짜는 전략적 전환"이라고 말했습니다.

또 다른 관계자는 "마이크론이 D램 공정을 고수하다 뒤늦게 파운드리로 전환하는 이유는 비용과 리스크를 최소화하기 위한 선택"이라며 "하지만 시장에서의 신뢰는 결국 먼저 검증된 업체가 가져갈 수밖에 없다"고 덧붙였습니다.