엔비디아와 HBM4, AI 반도체의 미래

1. 요약

• 최근 AI 반도체 시장에서의 주요 변화는 엔비디아의 영향력 확장과 HBM4 기술 개발에 있다. 엔비디아는 AI 모델 학습 및 추론에 필수적인 차세대 AI 반도체 루빈을 공개하며, 압도적 시장 점유율을 이어가고 있다. HBM4는 메모리 성능을 획기적으로 개선하여 AI 데이터센터에서의 데이터 처리 속도를 크게 향상시킬 것으로 기대된다. 삼성전자와 SK하이닉스는 HBM4 개발 경쟁을 치열하게 벌이며, 각각 엔비디아와의 협력을 통해 기술적 우위를 찾고 있다. 이 리포트는 이러한 기업들의 전략과 HBM4 기술의 시장적 의미를 살펴봄으로써, 미래 메모리 산업의 방향성을 예측한다.

2. AI 반도체 시장 현황

• 2-1. 엔비디아의 시장 지배력

• 전세계 AI 반도체 시장에서 엔비디아는 사실상 독점적인 위치를 차지하고 있으며, 최근에는 마이크로소프트와 애플을 따돌리고 시가총액 1위에 올랐습니다. 엔비디아의 시가총액은 종가 기준 약 3조3550억 달러(약 4609조원)로, 이는 AI 반도체의 핵심 역할을 하는 H100과 H200 GPU를 포함한 AI 가속기 시장에서 약 98%의 점유율을 차지하고 있는 데 기반합니다. 엔비디아의 GPU는 전체 GPU 시장의 약 80%를 점유하며, 암호화폐 및 생성형 AI의 발전에 따른 수요 증가로 인해 이러한 독주가 이어지고 있습니다.

• 2-2. AI 가속기 점유율

• 엔비디아는 H100, H200과 같은 GPU를 통해 AI 가속기 시장의 98%를 점유하고 있으며, 이를 통해 메모리 성능 및 데이터 전송 기술에서 주도적인 역할을 하고 있습니다. 인텔은 최근 H100 대비 학습 시간을 50% 단축할 수 있는 가우디3를 공개하였으며, 가격 경쟁력을 통해 가성비를 강조하고 있습니다. AMD도 차세대 AI 가속기 MI325X를 출시할 계획으로, 엔비디아의 H200 대비 메모리 용량과 대역폭을 대폭 향상시켰습니다.

• 2-3. 글로벌 빅테크 기업의 대응

• 글로벌 빅테크 기업들은 엔비디아의 시장 지배력에 대응하기 위해 다양한 전략을 구사하고 있습니다. 인텔은 가우디3를 통해 H100에 대한 대안을 제시하고 있으며, AMD는 MI325X와 같은 차세대 제품을 통해 성능을 강조하고 있습니다. 또한 삼성전자는 마하-1이라는 자체 개발 AI 반도체를 공개하며 HBM4 개발에 박차를 가하고 있습니다. 이외에도 구글, 메타 등 주요 글로벌 기업들은 엔비디아의 NV링크에 대항하기 위해 협력 등을 통해 새로운 기술 표준 개발에 나서고 있습니다.

3. HBM4 기술 개발 경쟁

• 3-1. HBM4의 기술적 특징

• HBM4는 기존 HBM3E 대비 2배 이상 향상된 입출력(I/O) 성능을 구현하며, I/O 수가 1024개에서 2048개로 증가하는 것이 가장 큰 특징입니다. 이는 데이터 전송 속도를 크게 높이기 위해 설계된 것으로, HBM3의 최대 대역폭인 1024 GB/s를 초과하는 데이터 전송 속도를 보일 것으로 예상됩니다. HBM4의 베이스 다이 I/O 간 거리는 HBM3 대비 25~30μm에서 절반 수준으로 줄어들 것으로 예상되며, TSV(Through Silicon Via) 지름을 더 좁히는 방식이 사용될 예정입니다. 또한 HBM4는 32Gbps 속도로 작동하는 UCIe 표준 64개 레인을 지원하여, 총 전송 속도는 약 2048Gbps(또는 2Tbps)에 달하며, 이는 초당 약 256GB의 데이터를 전송하는 속도를 의미합니다.

• 3-2. HBM4 개발 일정 및 목표

• HBM4 개발은 주요 메모리 제조사인 SK하이닉스, 삼성전자, 마이크론 등이 2025년 내 개발과 양산을 목표로 진행되고 있습니다. SK하이닉스는 TSMC와의 협력을 통해 HBM4 개발을 진행 중이며, 양산 목표 시점은 내년 하반기로 설정되어 있습니다. 삼성전자 역시 TSMC와 협업하여 HBM4 개발에 박차를 가하고 있으며, 기존 메모리 공정만으로는 HBM 성능을 높이는 데 한계가 있어 시스템LSI와 메모리의 결합한 설계를 추진하고 있습니다. 이들은 모두 2025년 하반기 HBM4 본격 양산을 목표로 하고 있습니다.

• 3-3. 주요 제조사의 HBM4 개발 계획

• 엔비디아는 차세대 AI 반도체 제품인 루빈에 HBM4를 탑재하기로 하였으며, 루빈 울트라 모델에는 총 12개의 HBM4가 탑재될 예정입니다. SK하이닉스는 HBM4 개발 및 양산에 2026년 대비 1년 앞당길 것을 목표로 하고 있으며, 이는 엔비디아의 요청에 따라 진행되고 있습니다. 삼성전자는 HBM 전담팀에 400여 명의 인력을 투입하여 HBM4 개발에 집중하고 있으며, 마이크론은 HBM 시장에 비교적 늦게 진출했지만 HBM3E 개발과 양산에 성공해 위협적인 경쟁자로 자리잡고 있습니다. 이처럼, HBM4 개발은 엔비디아를 중심으로 한 구조가 지속될 것으로 보이며, 경쟁사들 역시 각자의 전략을 통해 HBM4 시장에 대응하고 있습니다.

4. 엔비디아의 차세대 반도체 루빈

• 4-1. 루빈의 기술 사양

• 엔비디아는 대만 컴퓨텍스 2024에서 차세대 AI 반도체 루빈(Rubin)을 공개하였습니다. 루빈은 6세대 HBM인 HBM4가 탑재될 예정이며, HBM4에 대한 공식화는 루빈의 개발이 빨라졌음을 나타냅니다. 루빈 기본 모델에는 HBM4가 8개, 고성능 모델인 루빈 울트라에는 12개가 탑재됩니다. HBM4는 이전 세대인 HBM3E에 비해 2배 이상의 입출력 성능을 구현할 수 있도록 설계되었습니다. HBM4는 최대 2048Gbps의 데이터 전송 속도를 제공하여 AI 데이터센터의 성능을 크게 향상시킬 것으로 예상됩니다.

• 4-2. HBM4와의 통합

• HBM4는 기존 HBM3E 제품 대비 대폭 향상된 성능을 제공하며, I/O 수가 1024개에서 2048개로 증가합니다. 이러한 변화는 메모리 성능을 극대화하고, 대규모 AI 모델 학습과 추론에 적합한 데이터 전송이 가능케 합니다. HBM4의 개발은 SK하이닉스, 삼성전자, 마이크론의 주요 메모리 제조사들이 경쟁적으로 진행하고 있으며, 이들의 협력과 기술 개발이 루빈 제품의 성능 향상에 기여할 것입니다.

• 4-3. 루빈의 시장 출시 일정

• 루빈은 엔비디아가 그동안 지속적으로 AI 반도체의 개발 주기를 단축시키는 요구에 따라, 본격적인 시장 출시는 2025년 하반기로 예상됩니다. 엔비디아는 기존 2년이었던 신제품 출시에 대한 주기를 1년으로 줄일 계획이며, 이러한 전략은 HBM4의 빨라진 개발 로드맵과 연계되어 있습니다. SK하이닉스와 삼성전자는 HBM4의 양산을 위해 협업하고 있으며, 개발 및 출시 일정은 2025년으로 가시화되고 있습니다.

5. 글로벌 반도체 기업의 전략

• 5-1. SK하이닉스의 HBM4 전략

• SK하이닉스는 HBM4 개발과 양산 시점을 기존의 2026년에서 내년으로 앞당기고 속도를 내고 있습니다. HBM1세대가 개발된 이후, HBM3E부터는 1년 단위로 세대가 발전하고 있으며, 내년에는 HBM4를, 2026년에는 HBM4E를 개발할 계획임을 시사했습니다. 이러한 개발 로드맵은 HBM 최대 고객사인 엔비디아의 요청에 따라 진행되는 것으로 보이며, 엔비디아의 신제품 개발 주기를 함께 맞추기 위해 HBM3사도 최신 기술을 적용한 제품을 증가시키는 것으로 해석됩니다.

• 5-2. 삼성전자의 HBM4 개발 현황

• 삼성전자는 현재 HBM4의 개발에 집중하고 있으며, HBM 전담팀에 400여 명의 인력을 투입하고 있습니다. 특히, HBM4 탑재를 위해 더욱 더 많은 자원과 인력을 지원하고 있으며, 경쟁력을 확보하려고 노력하고 있습니다. 삼성전자는 HBM 비교우위의 확보를 위해 열심히 노력하고 있으며, HBM4에서의 경쟁력이 높아질 것으로 기대하고 있습니다. HBM4의 양산이 이루어지는 내년에는 시장 주도권을 확실히 확보하기 위해 고군분투할 것으로 보입니다.

• 5-3. 인텔과 AMD의 시장 대응

• 인텔은 가성비 있는 AI 생태계 구축을 위해 인텔 가우디 AI 가속기를 출시하였으며, 이를 통해 AI 워크로드에서 비용 효율성과 통합성을 제공하고 있습니다. 또한, AMD는 5세대 에픽 서버 프로세서를 포함한 AI 가속기 로드맵을 공개하고, 내년 출시 예정인 MI350 AI 성능이 35배 향상될 것으로 보입니다. 엔비디아의 최신 제품에 대응하기 위해 인텔과 AMD는 각각 차별화된 기술 개발과 전략을 추진하고 있습니다. 이는 AI 반도체 시장에서의 경쟁을 더욱 치열하게 만들고 있습니다.

6. 미래 전망 및 시장 변화

• 6-1. HBM4 시장의 성장 가능성

• HBM4는 차세대 고대역폭 메모리로, 성능 구현을 위해 로직칩과 메모리 부분이 하나의 물리계층에서 구현되어야 합니다. HBM4의 I/O 수는 1024개에서 2048개로 두 배 증가하며, 이에 따라 데이터 전송 속도는 HBM3의 최대 대역폭인 1024 GB/s를 크게 상회할 것으로 기대됩니다. HBM4는 32Gbps 속도로 작동하는 UCIe 표준 64개 레인을 지원하여 총 전송 속도가 약 2048Gbps(또는 2Tbps)에 달합니다. 이는 초당 약 256GB의 데이터를 전송하는 속도로, 대규모 AI 모델 학습 및 추론을 위한 실시간 데이터 처리와 전송 능력을 크게 향상시킬 수 있습니다.

• 6-2. AI 반도체 시장의 경쟁 구도 변화

• 현재 AI 반도체 시장에서 엔비디아는 GPU의 약 80%를 점유하고 있으며, AI 가속기 시장은 약 98%를 차지하고 있습니다. 그러나 인텔은 최근 가우디3를 발표하며 엔비디아의 주력 제품인 H100과의 정면 승부를 예고하고 있습니다. 가우디3는 H100 대비 학습 시간을 50% 단축하고, 가격에서 3분의 1 수준으로 책정될 예정입니다. 또한, AMD도 차세대 AI 가속기인 MI325X를 올 4분기 출시할 계획이며 삼성전자는 AI반도체 마하-1을 공개하고 저전력 D램으로도 거대언어모델 추론이 가능함을 보여주고 있습니다. 이러한 움직임은 엔비디아의 독주를 견제하려는 글로벌 빅테크 기업들의 적극적인 대응으로 볼 수 있습니다.

• 6-3. HBM4의 산업적 의미

• HBM4의 도입은 메모리 산업의 지형을 변화시킬 것으로 보입니다. HBM4는 D램, 로직 칩과 같은 여러 종류의 반도체를 하나의 패키지에 통합할 수 있는 이기종 통합 특징을 가지고 있습니다. 엔비디아는 HBM4를 탑재한 차세대 AI 반도체 루빈을 개발하고 있으며, 이는 AI 데이터센터의 성능 향상에 크게 기여할 것입니다. SK하이닉스와 삼성전자는 HBM4 개발에 박차를 가하며, 이 기술의 확보는 메모리 제조사들이 고객의 특정 요구에 맞춘 맞춤형 솔루션을 제공하여 경쟁력을 유지하게 하는 중요한 동력이 될 것입니다.

결론

• 이번 분석에 따르면, AI 반도체 시장은 엔비디아가 HBM4 기술을 통해 확장하는 영향력이 큰 변화를 가져오고 있다. 엔비디아는 HBM4 기반의 차세대 반도체 루빈을 통해, AI 데이터센터의 성능을 획기적으로 향상시키며 시장 점유율을 강력히 유지할 전망이다. 삼성전자는 HBM4 개발을 통해 메모리 경쟁력을 강화하고 있으며, SK하이닉스는 TSMC와 협력하여 HBM4의 빠른 상용화를 목표로 하고 있다. 이러한 노력들은 AI 반도체와 메모리 산업의 지형을 새롭게 형성할 것이다. 다만, 이 기술의 도입에는 추가적인 연구와 안정적인 공급망 구축이 필요하다. 향후 HBM4 시장은 지속적인 기술 개발과 파트너십 체결을 통해 성장할 것으로 보이며, 이는 실제 데이터센터의 효율성 향상에도 기여할 전망이다.

용어집

• 엔비디아 [회사]: 엔비디아는 AI 반도체 시장에서 압도적인 지배력을 가진 기업으로, HBM4 기술을 통해 차세대 AI 반도체를 개발하고 있다. 엔비디아의 제품은 AI 모델 학습 및 추론에 중요한 역할을 하고 있으며, 시장의 기술적 우위를 지속적으로 유지하고 있다.

• HBM4 [기술]: HBM4는 차세대 고대역폭 메모리로, 이전 세대 HBM3E 대비 성능이 두 배 이상 향상될 것으로 기대된다. 이 기술은 AI 데이터센터에서의 데이터 처리 속도 및 효율성을 크게 개선할 것으로 예상된다.

• 삼성전자 [회사]: 삼성전자는 HBM4 개발에 집중하며, 엔비디아와의 협력을 통해 메모리 기술을 강화하고 있다. HBM4를 통한 경쟁력을 확보하기 위해 자원과 인력을 집중하고 있으며, 시장에서의 입지를 다지고 있다.

• SK하이닉스 [회사]: SK하이닉스는 HBM4 개발을 위해 TSMC와 협력하고 있으며, HBM4 기술의 빠른 상용화를 목표로 하고 있다. 이 과정에서 HBM4의 성능 향상을 위한 첨단 패키징 기술과 로직 공정을 도입하고 있다.

출처 문서

• HBM4 시대 성큼…'엔비디아 왕국' 어디까지 커지나 | Save Internet 뉴데일리https://biz.newdaily.co.kr/site/data/html/2024/06/03/2024060300134.html
• AI반도체 시장서 엔비디아의 독주, 언제까지 이어질까?https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=302196
• 엔비디아, 차기 GPU 깜짝 공개…가성비 빈틈 파고든 인텔https://m.ddaily.co.kr/page/view/2024060900561291845
• HBM4 개발 경쟁 본격화...메모리 산업 지형도 바뀐다https://www.digitaltoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=533022