[김수지의 Chip Q] 주목받는 차세대 반도체는?…HBM 등 고성능 대세

D램 주류 떠오르는 'DDR5'…내년 HBM3E 개발, 경쟁은 이제 시작

[편집자주] ‘반도체는 어렵다’는 말에 공감하는가? 그럼 질문에서 시작해 보자. 반도체란 무엇인가, 어디서 반도체가 쓰이는가, 정말 반도체가 필요한가, 그렇다면 유망 받는 반도체가 있는가. 함께 이 질문들의 해답을 찾아보자. 반도체 ‘칩(Chip)’에 대해 질문(Question)을 던지면서.
 
연구·개발(R&D)이 중요한 반도체 산업에서 차세대로 주목받는 분야는 다양하다. 하지만 그 가운데 실제 상업성을 바탕으로 시장에 반등 조짐이 나타나고 있는 반도체는 DDR5를 비롯해 저전력(Low Power)DDR, 고대역폭메모리(HBM) 등이 있다. 새 폼팩터(외형) 개발로 시장이 확대되거나 저전력 등 반도체 성능에 견줘 수요가 늘어나고 있다.
 
특히 HBM의 경우 인공지능(AI)과 연계돼 속속 차세대 제품이 잇달아 시장에 모습을 드러내고 있다. 내년에는 챗GPT 등 AI 사용이 보다 확대돼 HBM 역시 수요가 급증할 것이란 전망이 크다. 현재 SK하이닉스가 기술력 확보 측면에서 앞서 있다고 평가되지만, 삼성전자가 5세대 HBM3E부터는 판도를 뒤집을 가능성이 제기된다.
 

최신 규격 ‘DDR5’…'저전력' 앞세워 시장 확장하는 ‘LPDDR’

차세대 D램 규격인 DDR5는 최근 D램 시장 내 비중이 점차 늘고 있다. 실제 시장조사업체 옴디아에 따르면 올해 4분기 D램 전체 시장에서 DDR5 비중은 20%를 차지할 것으로 예상된다. 이는 작년 4분기 4%에서 단 1년 만에 5배가량 확대한 수준이다.
 
DDR5는 전작인 DDR4 대비 속도와 효율 등 측면에서 보다 고성능을 지원한다. 세계 최초 DDR5는 앞서 2018년 11월 SK하이닉스가 출시했던 16Gb DDR5 제품이다. 이는 DDR4와 비교했을 때 데이터 전송 속도가 최대 1.8배 향상되고, 전력 소모량이 20% 줄었다.

 
D램은 국제반도체표준협의기구(JEDEC)에서 표준 규격을 정하는데, DDR5는 2020년 발표된 차세대 규격이다. 앞서 2001년 DDR을 시작으로 2004년 DDR2, 2008년 DDR3, 2013년 DDR4 등 순서대로 시장에 제품이 출시된 바 있다. DDR5가 주류 D램으로 자리 잡기 시작하면서 전작인 DDR4에 대한 수요는 자연스레 감소하는 상황이다.
 
LPDDR 역시 기존 스마트폰이나 태블릿 등 모바일용 제품에 주로 들어갔지만, 최근 데이터센터 등 운영 효율과 저전력을 중점으로 하는 분야에서 수요가 커지고 있다.

또한 새 폼팩터의 개발로 다양한 애플리케이션에 보다 쉽게 접목할 수 있게 돼 성장이 예견된다. 삼성전자는 지난 9월 업계 최초로 LPCAMM(Low Power Compression Attached Memory Module)을 개발하는 데 성공했다. 이는 저소비 전력 D램인 LPDDR을 기반으로 한 모듈이다. 메인보드에 직접 탑재돼 탈부착이 어려웠던 LPDDR의 단점을 상쇄해 향후 차세대 PC나 노트북에 들어갈 것으로 보인다.
 
기술력을 확보하는 속도도 더 빨라지고 있다. SK하이닉스는 7세대인 LPDDR5X 최고 용량인 24GB 패키지를 지난 8월 양산하기 시작한 데 이어 약 3개월 만인 지난달 이보다 성능이 향상된 LPDDR5T를 고객사에 공급하기 시작했다. 이는 8세대인 LPDDR6가 출시하기 전 7세대의 상위 버전 제품이다. 8세대가 나오기 전부터 중간급 제품을 선보였다는 건 그만큼 선제적인 기술력 확보가 중요해졌다는 의미로 해석된다.
 

SK하이닉스 LPDDR5T [사진=SK하이닉스]
 

AI 열기에 D램 쌓아 올린 ‘HBM’ 인기…新 먹거리로 부상

반도체의 또 다른 신성장 먹거리로는 단연 HBM이 꼽힌다. 챗GPT를 시작으로 AI 시대가 본격 도래하면서 HBM이 신성장 산업으로 주목받고 있어서다.
 
AI를 구동하기 위해서는 고성능 그래픽처리장치(GPU)와 함께 이를 뒷받침해 줄 고성능 메모리 HBM이 필수다. GPU가 대용량 데이터의 빠른 연산을 돕는 만큼 메모리인 HBM 역시 병목 현상이 없도록 빠르게 데이터를 처리해야 해서다.
 
HBM 시장은 SK하이닉스가 기술력 측면에서 리드하고 있다. 시장에서 주로 쓰이는 4세대 HBM3를 2021년 SK하이닉스가 업계 최초로 개발했다. 이에 현재 HBM 최대 고객사인 엔비디아에 SK하이닉스가 HBM3를 독점 공급하는 상황이다. 최근에는 삼성전자 역시 HBM3 샘플 검증이 마무리 단계에 접어들어 이르면 연내 납품을 앞뒀다.
 
본격적인 HBM 경쟁은 내년 HBM3E부터 시작될 것이란 의견이 우세하다. 삼성전자와 SK하이닉스는 각각 내년 3분기, 2분기 중 HBM3E 양산에 나설 것으로 알려졌다. 지난 10월 삼성전자는 '삼성 메모리 테크 데이 2023'에서 HBM3E '샤인볼트(Shinebolt)'를 처음 공개하기도 했다.
 
한편 엔비디아가 선보일 차세대 AI용 GPU ‘H200’, ‘B100’에 대한 공급 경쟁은 치열해질 전망이다. 기존 엔비디아의 H100에는 4개 HBM이 필요했지만, H200과 B100에는 각각 6개, 8개 HBM이 탑재될 예정이라서다. 그만큼 필요한 HBM 규모가 더 늘어난다는 의미다.

삼성전자 HBM3E D램 '샤인볼트(Shinebolt)' [사진=삼성전자]

 
*알아야 할 기본 용어*
 
DDR5 = 차세대 D램 규격. 반도체 규격을 정의하는 국제반도체표준협의기구(JEDEC)가 2020년 7월 DDR5의 표준 규격을 공식 발표했음.
 
저전력(Low Power)DDR = 모바일용 제품에 들어가는 D램 규격. 세대별로 1~4, 4X, 5, 5X 순으로 이름이 붙음. 현재 최신 규격은 7세대인 LPDDR5X.
 
고대역폭메모리(HBM) = 여러 개 D램을 수직으로 연결해 기존 D램보다 데이터 처리 속도를 혁신적으로 끌어올린 고부가가치, 고성능 제품. 1세대(HBM)-2세대(HBM2)-3세대(HBM2E)-4세대(HBM3)-5세대(HBM3E) 순으로 구분함.