삼성전자, AI 메모리 '왕좌 탈환' 신호탄…HBM4 세계 최초 양산(종합)

[이데일리 송재민 기자] 삼성전자가 세계 최초로 6세대 고대역폭 메모리(HBM4)의 양산 출하에 성공하며 인공지능(AI) 메모리 시장 주도권 회복에 나섰다. 이전 세대(HBM3·HBM3E)에서 경쟁사인 SK하이닉스에 밀렸던 흐름을 끊고 AI 메모리 왕좌 탈환을 위한 반격의 서막을 알린 것이다.

삼성전자 HBM4 제품 사진. (사진=삼성전자)

삼성전자는 세계 최초로 업계 최고 성능의 HBM4를 양산해 출하를 시작했다고 12일 밝혔다. 당초 설 연휴 이후로 예정됐던 HBM4 양산 출하 일정을 고객사와의 협의를 통해 약 1주일 앞당기며 공급에 나섰다.

이번 HBM4 양산은 삼성전자 반도체(DS)부문에 있어 신제품 출시 이상의 의미를 갖는다. 삼성전자는 그간 HBM3E 공급 시점이 지연되며 HBM 시장 점유율이 20%대까지 떨어졌다. 그 과정에서 SK하이닉스에 밀리고 마이크론의 추격을 허용하며 메모리 왕좌로서 자존심을 구겼다. 이번 HBM4는 이를 만회할 수 있는 신호탄으로 여겨진다.

송재혁 삼성전자 최고기술책임자(CTO) 사장은 전날 열린 ‘세미콘코리아 2026’에서 “세계에서 가장 좋은 기술력으로 대응했던 삼성의 원래 모습을 보여주는 것”이라며 “HBM4에 대한 고객사 피드백이 매우 만족스럽고 기술 면에서는 최고”라고 자신감을 드러냈다.

성능·효율 동시 확보… 데이터센터 ‘전력난’ 정조준

삼성전자는 HBM 시장의 판을 뒤집기 위해 개발 단계부터 검증된 공정을 쓰던 관행을 깨고 최선단 공정을 전면 배치했다. 업계 최선단인 1c D램(10나노급 6세대)과 파운드리 4나노 공정을 베이스 다이에 적용해 재설계 없이 초기부터 안정적인 수율과 성능을 확보했다.

이를 통해 구현한 HBM4의 성능은 압도적이라는 평가다. 국제반도체표준협의기구(JEDEC) 기준인 8Gbps를 약 46% 상회하는 11.7Gbps의 동작 속도를 확보했다. 이는 경쟁사들의 초기 샘플 속도를 앞지르는 수준이다. 대역폭 역시 전작 대비 2.7배 향상된 최대 3.3TB/s를 지원해 AI 모델의 데이터 병목 현상을 해소했다.

삼성전자 HBM4 제품 사진. (사진=삼성전자)

전력 효율 면에서도 괄목할 만한 성과를 냈다. 데이터 전송 I/O(Input/Output) 핀 수가 1024개에서 2048개로 확대되면서 발생하는 전력 소모와 열 집중 문제를 해결하기 위해, 코어 다이에 저전력 설계 기술을 적용했다. 코어 다이는 HBM을 구성하는 핵심인 D램을 수직으로 적층한 다이(Die)를 말한다. HBM은 D램으로 구성된 코어 다이와 컨트롤러 역할을 하는 베이스 다이로 구성된다.

아울러 실리콘관통전극(TSV) 데이터 송수신 저전압 설계 기술 적용과 전력 분배 네트워크(PDN) 최적화를 통해 전 세대 대비 에너지 효율을 약 40% 개선했다. 열 저항 특성은 약 10%, 방열 특성은 약 30% 향상시켰다. TSV는 수천 개의 미세 구멍을 뚫은 D램 칩을 수직으로 쌓아 적층된 칩 사이를 전극으로 연결하는 첨단 패키징 기술을 말한다.

삼성전자는 용량의 경우 12단(24·36GB)을 시작으로 향후 16단 적층을 통해 48GB까지 확장할 계획이다.

2027년 ‘커스텀 HBM’ 조준… 매출 3배 성장 자신

삼성전자는 이번 양산을 기점으로 차세대 로드맵 가동에 속도를 낸다는 방침이다. 올해 하반기 성능 강화 모델인 HBM4E 샘플을 출하하고, 내년부터는 고객사별 최적화된 ‘커스텀(Custom) HBM’ 샘플링을 시작한다. 이미 엔비디아를 비롯해 자체 칩을 설계하는 글로벌 하이퍼스케일러 고객사들로부터 공급 협력 요청이 쇄도하고 있다는 것이 회사 측 설명이다.

삼성전자 HBM4 양산 출하. (사진=삼성전자)

매출 성장세도 가파를 전망이다. 삼성전자는 올해 HBM 매출이 지난해 대비 3배 이상 증가할 것으로 내다보고 평택 5라인 등 선제적인 인프라 확대를 지속하고 있다.

삼성전자는 로직, 메모리, 파운드리, 패키징을 모두 수행하는 세계 유일의 ‘IDM(종합 반도체 기업) 원스톱 솔루션’ 측면에서 경쟁력이 있다. HBM이 고도화될수록 베이스 다이의 역할이 중요해지는 만큼, 자체 파운드리 공정과 설계 간의 긴밀한 기술 협력(DTCO)을 통해 품질 리스크를 최소화하고 생산 리드타임을 단축한다는 구상이다.

삼성전자 관계자는 “자체 보유한 파운드리 공정과 HBM 설계 간의 긴밀한 협업을 통해 품질과 수율을 동시에 확보한 최고 수준의 HBM을 지속 개발할 것”이라며 “AI 메모리 시장의 리더십을 공고히 할 것”이라고 밝혔다.