[삼성 반도체 '뉴 50년']②HBM4에 CXL까지…속도내는 개발, '기술 패권' 사냥

삼성전자가 새로운 반세기를 맞이하기 위해 차세대 반도체 기술 개발에 시동을 걸고 있다.
특히 6세대 고대역폭메모리(HBM)인 HBM4와 컴퓨트 익스프레스 링크(CXL) 등 차세대 반도체 기술 주도권을 노리고 있다.
모두 인공지능(AI)과 고성능 컴퓨팅(HPC) 분야에서 주목받는 핵심 기술들이다.

◆메모리와 R&D 결합 ‘속도전’= 전영현 삼성전자 부회장이 직접 맡는 HBM은 연구 개발을 강화하고 있다.
내년 하반기를 목표로 HBM4 개발과 양산을 준비하고 있다.
HBM4 전용라인 ‘D1c’를 구축하고 소규모로 시범 제품을 만들어보는 ‘파일럿 생산’ 단계를 진행 중이다.

삼성전자는 올해 초 반도체 학술대회 ‘ISSCC 2024’에서 HBM4 사양을 공개했다.
전세대인 HBM3E보다 대역폭(메모리의 데이터 전송 속도)은 66%, 전력 효율성과 용량은 각각 33% 개선하기로 했다.
데이터 출입구(Input·Output) 수를 두 배로 늘려 각 출입구의 전송 속도를 끌어올리고 16단의 적층 구조로 48GB의 용량을 제공한다.
HBM 맨 아래에서 외부와 데이터를 주고받는 칩인 버퍼 다이(Buffer Die)의 소자 구조는 기존 평면형 트랜지스터에서 핀펫(FinFET) 구조로 전환한다.
핀펫 구조는 3차원 구조로 게이트와 채널의 접촉 면적을 늘려 전류 흐름을 더욱 정밀하게 제어할 수 있고 전력 소모 감소에 유리하다.

버퍼 다이를 제외하고 나머지 쌓여 있는 핵심 칩들인 코어 다이(Core Die, 데이터 저장 및 처리)는 1c D램을 채택했다.
경쟁사인 SK하이닉스와 마이크론이 채용한 1b 공정을 생략하고 1c로 직행한 것이다.
1c 공정은 이전 세대(1b 공정)보다 더 미세한 공정 기술로, 트랜지스터와 셀의 밀도가 더 높아 동일한 면적에서 더 많은 데이터를 저장할 수 있다.
1c 공정은 1b 공정보다 더 미세해진 만큼 수율 확보가 어렵고 초기 생산 과정에서 리스크가 크다.
그런데도 1c를 선택한 건 경쟁사를 기술적으로 앞서겠다는 의지가 반영된 것으로 보인다.

HBM4 성능과 안정성을 높이기 위해 고온 열 특성에 최적화된 NCF(Non-conductive Film·비전도성접착필름) 조립 기술과 HCB(Hybrid Copper Bonding·하이브리드 본딩) 기술도 준비 중이다.
HBM처럼 적층 구조를 사용하는 메모리에서 성능, 신뢰성, 안정성을 높이는 중요한 반도체 패키징 기술들이다.
NCF 조립 기술은 고온 환경에서도 칩을 안정적으로 붙이고 전기적 신호 간섭을 막기 위한 접착 기술을, HCB 기술은 구리 본딩으로 데이터 전송을 빠르게 하고 발열을 줄이는 최첨단 접합 기술을 말한다.

◆CXL, 차세대 메모리 핵심= CXL도 삼성전자가 앞으로 보여줄 ‘초격차’ 기술로 기대받고 있다.
CXL은 CPU, 메모리, GPU 등 컴퓨터 부품들이 서로 더 빠르고 효율적으로 데이터 전송을 가능하게 하는 차세대 인터페이스 기술이다.
삼성전자는 2021년 업계 최초로 CXL 기반 D램을 개발한데 이어 지속적으로 관련 제품을 선보였다.

CXL 시장은 향후 1~2년 이내에 CXL 시장이 본격적으로 열릴 것으로 본다.
지난해 CXL 2.0버전을 개발했는데 2026년 CXL 3.1 버전이 도입될 것으로 보고 있다.
CXL 3.1을 지원하는 컨트롤러 및 스위치가 개발 완료되고 이를 지원하는 CPU도 이때 출시될 것으로 기대하는 것이다.

시장조사업체 욜 인텔리전스는 CXL 시장 규모가 2022년 약 170만달러(약 24억원)에서 2028년에는 150억달러(약 21조원)에 이를 것으로 전망했다.