삼성전자가 차세대 고대역폭 메모리(HBM) ‘HBM4’를 세계 최초로 양산 출하하며 글로벌 AI 메모리 시장 선점에 나섰다.

삼성전자는 HBM4 개발 초기 단계부터 국제 반도체 표준화 기구인 JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council) 기준을 상회하는 성능 목표를 설정하고 제품 개발을 추진해 왔다. 이번 HBM4에는 10나노급 6세대 ‘1c D램’ 공정을 선제적으로 적용했으며, 베이스 다이에는 파운드리 4나노 공정을 도입했다. 이를 통해 별도의 재설계 없이 양산 초기부터 안정적인 수율과 업계 최고 수준의 성능을 확보했다는 설명이다.

 삼성전자 HBM4 제품

황상준 삼성전자 메모리개발담당 부사장은 “HBM4에는 기존 검증 공정을 답습하는 방식에서 벗어나 1c D램과 4나노 파운드리 등 최선단 공정을 적용했다”며 “공정 경쟁력과 설계 개선을 통해 향후 성능 확장 여력을 확보함으로써 고객의 고성능 요구에 적기에 대응할 수 있게 됐다”고 밝혔다.

HBM4는 JEDEC 표준 동작 속도(8Gbps) 대비 약 46% 향상된 11.7Gbps의 데이터 처리 속도를 안정적으로 구현했다. 이는 전작 HBM3E의 최대 핀 속도(9.6Gbps) 대비 약 22% 개선된 수치다. 설계 최적화를 통해 최대 13Gbps까지 구현 가능해, 대규모 AI 모델 구동 시 발생하는 데이터 병목 현상을 완화할 것으로 기대된다.

단일 스택 기준 메모리 대역폭은 최대 3.3TB/s로, HBM3E 대비 약 2.7배 향상됐다. 이는 주요 고객사가 요구하는 3.0TB/s 수준을 상회하는 성능이다.

용량 측면에서는 24Gb(기가비트) 단일 다이(3GB)를 기반으로 12단 적층 시 36GB(3GB×12)를 제공한다. 향후 16단 적층 기술을 적용하면 최대 48GB(3GB×16)까지 확장할 계획이다.

HBM4의 전력 효율 개선에도 주력했다. 데이터 전송 I/O 핀 수가 기존 1024개에서 2048개로 두 배 확대되면서 전력 소모와 발열 부담이 증가하는 점을 고려해, 코어 다이에 저전력 설계 기술을 적용했다. 또한 TSV(Through Silicon Via, 실리콘 관통 전극) 데이터 송수신 회로의 구동 전압을 1.1V에서 0.75V로 낮추는 저전압 설계를 도입해 TSV 구동 전력을 약 50% 절감했다.

아울러 전력 분배 네트워크(PDN) 최적화를 통해 전 세대 대비 에너지 효율을 약 40% 개선했으며, 열 저항 특성은 약 10%, 방열 특성은 약 30% 향상시켰다. 이에 따라 데이터센터 환경에서 GPU 연산 성능을 극대화하는 동시에 서버 및 데이터센터 단위의 전력 소모와 냉각 비용 절감 효과가 기대된다.

삼성전자는 로직·메모리·파운드리·패키징을 모두 수행할 수 있는 종합 반도체 기업(IDM)으로, HBM 고도화 과정에서 중요성이 커지는 베이스 다이 설계 역량을 자체 파운드리 공정과의 DTCO(Design Technology Co-Optimization)를 통해 강화하고 있다. 이를 통해 품질과 수율을 동시에 확보한 고성능 HBM 제품을 지속적으로 개발한다는 전략이다.

또한, 첨단 패키징 역량을 내재화해 공급망 리스크를 최소화하고 생산 리드타임을 단축할 수 있는 체계를 구축했다. 글로벌 주요 GPU 업체와 차세대 ASIC 기반 하이퍼스케일러 기업들로부터 HBM 공급 협력 요청도 이어지고 있다.

삼성전자는 2026년 HBM 매출이 2025년 대비 3배 이상 증가할 것으로 전망하고 있으며, 이에 맞춰 HBM4 생산 능력을 선제적으로 확대하고 있다. 업계 최대 수준의 D램 생산 능력과 기확보된 클린룸 인프라를 바탕으로 수요 급증 시에도 유연한 대응이 가능하다는 설명이다. 2028년부터 본격 가동 예정인 평택사업장 2단지 5라인은 향후 HBM 생산의 핵심 거점으로 활용될 예정이다.

차세대 라인업도 준비 중이다. 삼성전자는 2026년 하반기 HBM4E 샘플을 출하할 계획이다. HBM4E는 HBM4 구조를 기반으로 동작 속도, 대역폭, 전력 효율을 한층 강화한 제품이다. 또한, 2027년부터는 고객별 AI 가속기 및 GPU 아키텍처에 최적화한 ‘커스텀 HBM(Custom HBM)’을 순차적으로 샘플링할 예정이다.

삼성전자는 HBM4 양산 과정에서 확보한 1c 공정 기반의 품질 경쟁력과 공급 안정성을 바탕으로, HBM4E와 커스텀 HBM 등 고부가가치 제품으로의 전환을 가속화하며 AI 메모리 시장 주도권을 강화한다는 방침이다.

[경제엔미디어=김재호 기자]