"'차세대' HBM·DDR5, 메모리 업턴 당기고 지형까지 바꿀 것"

[이데일리 최영지 김응열 기자] “챗 GPT는 시작에 불과합니다. 인공지능(AI) 시대를 맞아 데이터 처리·연산에 필요한 메모리반도체 수요가 폭발적으로 늘어날 겁니다. 불황에도 우리 기업이 고대역폭 메모리(HBM3·High Bandwidth Memory) 등 고성능 메모리 개발·출시를 이어간다는 건 매우 반가운 소식입니다.” (김형준 차세대지능형반도체사업단장 겸 서울대 명예교수)

장기화하는 메모리반도체 불황을 앞당길 ‘게임 체인저’로 HBM과 DDR5 등 고성능 메모리가 주목받고 있다. 삼성전자(005930)·SK하이닉스(000660) 등 우리 반도체기업이 AI 수요가 더욱 늘어날 시장에 한발 앞서 고부가 제품을 개발함으로써 시장 선점에 집중하는 이유다. 업계에선 향후 이들 고성능 반도체가 AI 등에 널리 쓰이며 데이터 처리는 물론 연산과 인식, 패턴분석까지 하게 될 것이라며 호황을 앞당기는 건 물론 메모리 지형까지 바꿀 것으로 보고 있다. 궁극적으로 뇌의 기능을 하는 뉴로모픽 반도체 형태로 진화할 것이라는 게 업계의 예측이다.

SK하이닉스의 HBM3와 삼성전자 HBM-PIM 제품사진. (사진=각 사)

韓, HBM 시장점유율 90% 차지…DDR5 교체도 주도

20일 업계에 따르면 SK하이닉스는 세계 최초로 D램 단품 칩 12개를 수직 적층해 현존 최고용량인 24GB(기가바이트)를 구현한 HBM3 신제품을 개발했다. 기존 대비 40% 얇은 D램 단품 칩 12개를 수직으로 쌓아 기존 16GB 제품과 같은 높이로 제품을 구현한 것으로, 고객사로부터 성능 검증을 통해 올해 하반기 공급하겠다는 계획이다.

업계에선 이번 제품 개발로 우리 기업이 HBM 시장점유율을 더욱 늘릴 수 있을 것으로 보고 있다. 최근 대만 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 지난해 HBM 시장 점유율은 SK하이닉스(50%)·삼성전자(40%)·미국 마이크론(10%) 순이다.

HBM은 대역폭을 높여 데이터 전송 속도를 빠르게 한 고성능 D램으로 분류된다. 서버에서 AI 서비스를 원활히 지원하려면 GPU(그래픽처리장치)와 함께 HBM 탑재가 필수다. 조중휘 인천대 명예교수는 “메모리의 주요 시장이 과거 PC에서 스마트폰으로 옮겨갔고 이제 AI와 맞물린 시장이 될 것”이라고 평가했다. 김형준 서울대 명예교수도 “데이터 처리가 필수적인 만큼 HBM 수요가 폭발적으로 늘어날 것이기에 현재 다운턴으로 영업손실을 내고 있는 우리 기업들의 실적은 당연히 개선될 것”이라고 밝은 전망을 내놨다.

우리 IT기업들도 AI 서비스 출시뿐 아니라 AI 반도체 양산을 앞두고 있다. 초거대 AI ‘하이퍼클로바’를 보유한 네이버는 삼성전자와 연내 AI 반도체 출시를 위해 협력 중이다. AI 수요가 늘어남에 따라 사피온, 리벨리온, 퓨리오사AI 등 한국 팹리스(반도체 설계) 스타트업들도 신경망처리장치(NPU) 개발을 가속화하고 있다.

궁극적으로 차세대 메모리가 인간의 뇌 기능을 구현하는 ‘뉴로모픽 반도체’로 나아가야 한다는 의견도 있다. 업계의 한 관계자는 “데이터 저장뿐 아니라 데이터 연산 기능도 담은 메모리는 사람의 뇌와 비슷해진다”며 “실제 뇌를 모방하는 뉴로모픽 기술 연구 및 개발도 진행 중”이라고 했다.

서버보단, 모바일·PC에 주로 탑재되는 D램 역시 DDR5로 세대교체를 앞두고 있다. 삼성전자와 SK하이닉스는 DDR4 등 감산을 결정했지만 실적 타개를 위해 DDR5 및 LPDDR5 생산에 주력하고 있다.

삼성·SK·마이크론 주도권 다툼…“관건은 기술력·생산능력”

삼성전자와 SK하이닉스는 차세대 메모리 시장에서의 주도권을 잡기 위해 제품 및 기술 개발 경쟁에 한창이다. 후발주자인 마이크론 역시 DDR5는 물론 HBM 개발에 속도를 내고 있다. HBM과 DDR5가 각 서버용과 PC, 모바일용으로 나뉘기 때문에 어느 하나 포기할 수 없는 시장이기 때문이다.

HBM의 경우 SK하이닉스가 가장 먼저 주도권을 잡았다는 평가도 적지 않다. SK하이닉스는 지난 2013년 세계 최초로 HBM을 개발했으며 엔비디아에 공급 중인 HBM3은 챗 GPT에 활용되고 있어 회사 수익에도 점차 긍정적 효과를 기대할 수 있게 됐다.

범진욱 서강대 전자공학과 교수는 “(SK하이닉스의) 시장 선점은 먼저 기술력을 축적한 결과”라며 “삼성전자도 차세대 제품 개발을 진행 중인 만큼 우리 기업들이 함께 성장해 글로벌 업체들과의 격차를 더 벌려야 한다”고 했다.

삼성전자는 HBM에서 한 단계 더 나아간 HBM-PIM 개발에 주력하고 있다. PIM은 메모리 내부에 연산 작업에 필요한 프로세서 기능을 더한 차세대 신개념 융합기술로 해당 제품은 메모리에 시스템반도체의 영역인 연산 기능을 더한 지능형 반도체로도 불린다. HBM-PIM 기술을 적용할 경우 기존 HBM이 탑재된 GPU 가속기에 비해 AI 모델의 생성 성능이 약 3.4배 이상 개선될 것이라는 게 삼성전자 분석이다.

결국 제품 경쟁력은 기술에 좌우할 것으로 보인다. 업계 관계자는 “프리미엄 제품의 경우 고객 맞춤형으로 공급되기에 고객사 제품사양에 얼마나 최적화할 수 있는지가 중요해질 것”이라고 해석했다. 이어 “미세공정보다는 데이터 처리를 위한 프로세서와 메모리간 결합 등이 중요해져 공정 설계가 더욱 복잡해질 수 있다”고 했다.

경희권 산업연구원 부연구위원은 “아직 첨단 제품이 전체 메모리에서 차지하는 비중이 높지 않다”며 “점유율이 바뀔 수도 있으며, 첨단 메모리 시장이 개화할 때 어떤 업체가 대규모 양산 능력을 갖추게 되는지도 지켜봐야 할 것”이라고 했다.

그래픽=이미나 기자