차세대 HBM 기술과 설비투자 확대: SK하이닉스·삼성전자의 전략적 행보

1. 요약

• 2025년 현재, 반도체 산업에서 고대역폭 메모리(HBM) 기술의 중요성이 급증하고 있다. SK하이닉스는 글로벌 빅테크 기업들의 HBM 수요 증가에 선제적으로 대응하기 위해 2025년 CAPEX를 당초 22조 원에서 29조 원으로 30% 상향 조정했다. 이는 특히 엔비디아와 브로드컴과 같은 주요 고객사로부터의 수요 증가가 주효했던 결과로 분석되고 있다. 회사는 올해 HBM 물량이 이미 소진되어 내년 물량에 대한 고객과의 협의를 진행 중에 있으며, 이는 고객 요구에 신속하게 대응하기 위한 전략으로 해석된다.

• 더욱이, SK하이닉스는 청주 M15X 공장에서 HBM3E 코어 다이 생산을 위해 장비 도입을 빠르게 진행하여 생산량을 극대화할 계획이다. 청주 M15X 공장은 D램과 HBM을 동시에 생산할 수 있는 최신 시설로, 2025년 10월까지 장비를 도입할 예정이다. 이는 엔비디아와 같은 고객사의 긴급한 HBM 공급 요청에 대한 신속한 응답으로, SK하이닉스의 시장 점유율 확대에 중대한 역할을 할 것으로 기대된다.

• 한편, 삼성전자는 HBM3E 퀄 테스트 승인 상황에서 발열 문제 등에 대한 우려를 해소하기 위해 지속적으로 기술 신뢰성을 강화하는 중이다. 삼성전자는 HBM3E의 발열 문제와 관련하여 고객의 요구에 부응하기 위한 조치로서, 다양한 발열 관리 기법을 통해 최적의 성능을 달성할 계획이다. 이러한 노력은 HBM3E 제품의 시장 출시와 연관되어 있으며, 엔비디아의 공급망 합류가 여전히 진행 중인 상황에서 HBM 기술의 향후 발전 방향에 대한 기대감이 고조되고 있다.

2. 반도체 기술 트렌드와 HBM 세대 진화

• 2-1. 트랜지스터 발명부터 AI 시대까지 반도체 발전사

• 트랜지스터의 발명은 반도체 기술의 혁신을 이끌며 20세기 중반부터 현대 전자기기의 상승세를 시작하게 되었다. 최초의 트랜지스터는 크기가 작고 전력 소모가 적어 컴퓨터가 점점 소형화될 수 있도록 만들어 주었다. 이후 집적회로(IC)의 발전은 수천 개의 트랜지스터를 단일 칩에 집적하는 것을 가능하게 하였고, 이는 컴퓨터와 전자기기의 기능성을 비약적으로 증대시켰다.

• 21세기에 들어서는 인공지능(AI) 시대가 도래하며, 반도체의 중요한 역할이 강조되었다. AI 처리의 핵심이 되는 대량의 데이터 처리를 위해 새로운 형태의 메모리와 연산 구조가 필요해졌으며, 이는 특히 고대역폭 메모리(High Bandwidth Memory, HBM)의 발전으로 이어졌다. HBM은 수직적으로 적층된 D램 구조를 통해 기존 메모리보다 월등한 속도와 대역폭을 제공하며 AI, 머신러닝과 같은 고성능 연산에 필수적인 요소로 자리매김하였다.

• 2-2. HBM 1~5세대별 특징과 성능 혁신

• HBM 기술은 첫 번째 세대인 HBM에서 시작하여 현재 HBM3E까지 발전해왔다. HBM은 각 세대별로 대역폭과 성능이 크게 향상되었으며, 특히 HBM2와 HBM2E에서는 다양한 D램 다이를 수직으로 쌓아 대역폭을 크게 확장하였다. HBM3에서는 한 층당 최대 1024GB의 데이터 전송 능력을 보유하고 있으며, HBM3E는 이와 같은 성능을 더욱 강화한 확장 버전으로 2배 빠른 데이터 전송 속도를 자랑한다.

• 예를 들어, HBM2는 약 256GB/s의 대역폭을 제공하며, HBM3의 경우 최대 460GB/s의 대역폭에 도달하여, 이는 AI 연산 처리에 최적화된 구조로 주목받고 있다. 각 세대의 발전은 AI, 머신러닝 분야의 기술 발전과 연결되며, 최신 세대 제품은 데이터 센터와 클라우드 컴퓨팅의 성능을 비약적으로 향상시키는 데 기여하고 있다.

• 2-3. 미래 HBM 기술의 응용 분야 및 전망

• 미래 HBM 기술의 주요 응용 분야는 AI, 데이터 센터, 고성능 컴퓨팅(HPC) 시스템 등이다. AI의 급속한 발전과 함께 대량의 데이터를 실시간으로 처리할 수 있는 메모리의 수요가 폭발적으로 증가하고 있으며, HBM 기술은 이러한 요구를 충족할 수 있는 유일한 솔루션 중 하나로 주목받고 있다.

• HBM은 또한 자율주행차, 가상현실(VR), 증강현실(AR) 같은 새로운 분야에서도 필수적으로 사용될 전망이다. 데이터 전송의 대역폭과 처리 속도가 이들 기술의 성능에 직접적인 영향을 미치기 때문이다. 따라서, HBM 기술은 향후 반도체 산업에서 중요한 역할을 계속해 나갈 것이며, 반도체 기업들은 이 기술을 기반으로 더욱 혁신적인 솔루션을 개발하기 위해 지속적으로 투자할 것이다.

3. SK하이닉스의 설비투자 확대 전략

• 3-1. 2025년 CAPEX 계획 상향 배경

• SK하이닉스는 최근 글로벌 빅테크 기업들의 고대역폭 메모리(HBM) 수요 증가에 대응하기 위해 올해 설비투자(CAPEX) 규모를 기존 22조 원에서 29조 원으로 30% 상향 조정했다. 이 결정은 2025년 4월에 발표된 반도체 업계 주요 동향을 기반으로 하며, 특히 엔비디아와 브로드컴과 같은 주요 고객사로부터의 수요 증가가 주요 요인으로 작용했다.

• 회사는 최근 발표에서 올해 HBM 물량이 이미 모두 소진되었으며, 내년 HBM 물량에 대한 고객과의 협의를 올해 상반기 중 마무리짓겠다고 밝혔다. 이는 고객의 요구에 더욱 발 빠르게 반응하기 위해 이루어진 조치로, 시장에서의 경쟁력을 강화하는데 기여하고 있다.

• 3-2. 29조원 투자 규모와 투자처별 배분

• 올해 SK하이닉스는 29조 원의 설비투자를 통해 HBM 제조를 위한 다양한 공장 및 설비에 투자할 계획이다. 특히, 청주 M15X 공장이 중요하게 여겨지며, 이곳은 5세대 HBM3E의 코어 다이로 사용될 1b D램 주 생산 시설로 자리 잡고 있다. 청주 M15X 공장에서의 신속한 장비 도입을 통해 HBM 생산량을 극대화하는 것이 목표이다.

• 장비 납품 일정도 당초 예상보다 앞당겨졌으며, 이는 이들 장비 담당업체에 이미 통보된 상황이다. 이런 움직임들은 SK하이닉스가 HBM 수요 증가에 발맞춰 빠르게 대응하려는 의지를 보여준다. 업계 관계자는 이번 설비투자가 SK하이닉스의 시장 점유율 확보에 중요한 역할을 할 것이라고 예상하고 있다.

• 3-3. 청주 M15X 공장 장비 도입 일정

• 청주 M15X 공장의 장비 도입 일정은 기존의 예상보다 두 달가량 앞당겨졌다. SK하이닉스는2025년 10월까지 장비를 도입하기로 결정한 것으로, 이는 가능하면 빨리 생산에 착수하기 위한 전략으로 분석된다. 이는 엔비디아 등 고객사로부터의 긴급한 HBM 공급 요청에 대한 대응 차원에서 이루어진 조치이다.

• 청주 M15X 공장은 D램과 HBM을 동시에 생산할 수 있는 최신 시설이 될 것으로 기대되며, 이는 HBM3E 제품에 필요한 핵심 요소이다. 이러한 신속한 장비 도입은 SK하이닉스가 반도체 시장에서의 혁신을 이루기 위한 중요한 발판이 될 것으로 보인다.

4. 삼성전자의 HBM3E 퀄 테스트 이슈 분석

• 4-1. HBM3E 퀄 테스트 승인 현황

• 삼성전자는 2025년 4월 1일, HBM3E 퀄 테스트 승인이 발열 문제와는 관계가 없다는 입장을 밝혔다. 김재춘 삼성전자 수석연구원은 한국마이크로전자 및 패키징학회(KMEPS)에서 고객사들이 정확한 결함 지적을 요구하고 있으며, 발열 문제와의 연관성을 일축했다. 여전히 HBM3E 퀄 테스트는 진행 중이며, 엔비디아의 공급망 합류와 관련하여 지속적인 관심이 고조되고 있다.

• 회사는 지난해 3분기 컨퍼런스콜에서 HBM3E 퀄 테스트의 중요한 단계를 완료했다고 발표했으며, 4분기 중 판매 확대가 가능할 것이라는 기대감을 보였다. 그러나 현재 HBM3E 퀄 테스트의 승인 여부는 여전히 불확실한 상황이다.

• 4-2. 발열 문제 관련 오해와 입장

• 삼성전자는 HBM3E의 발열 문제와 관련된 우려에 대해 명확한 해명을 내놓았다. 김 연구원은 HBM의 발열 저항에 주목하며, 조인트의 두께가 핵심 요소라고 설명했다. 삼성전자는 본딩 레이어와 베어 레이어의 물성, 범프 수 등을 조절하여 최적의 발열 관리를 이루겠다는 계획을 세우고 있다. 이는 업계에서 가장 높은 수준으로 평가받고 있다.

• 현재 삼성전자는 열 설계와 관련하여 여러 과제를 해결하려 노력하고 있으며, 고전력과 전력 밀도 문제, 로직과 HBM 간의 열 간섭, 그리고 이종 금속 접합 문제 등에 대한 해결책을 모색하고 있다. 이러한 점에서 HBM3E의 경쟁력을 높이는 데 중요한 요소가 될 것으로 예상된다.

• 4-3. 엔비디아 공급망 합류 전망

• 삼성전자의 엔비디아 공급망 합류 전망은 여전히 진전을 보이고 있지만, 일정이 차일피일 미뤄지고 있다. 업계에서는 HBM3E의 퀄 테스트 통과가 발열, 전력 효율 및 수율 문제로 인해 지연되고 있다고 분석하고 있다. 따라서 삼성전자는 HBM3E의 기술적 신뢰성을 높이기 위해 퀄 테스트 승인과 발열 관리 문제 해결에 주력하고 있다.

• 앞으로의 HBM 시장에서 삼성전자의 성공적인 공급망 합류는 고대역폭 메모리의 경쟁력을 증가시키고, 반도체 시장의 주도권을 잡기 위한 중요한 열쇠로 작용할 것이다. 엔비디아와의 협업이 성공적으로 이루어질 경우, 삼성전자의 시장 점유율은 더욱 확대될 것으로 기대된다.

결론

• 2025년 4월 발표된 보고서를 분석한 결과, HBM 기술은 메모리 시장에서 중요한 경쟁 요소로 자리 잡고 있음을 확인할 수 있다. SK하이닉스는 29조 원의 대규모 설비 투자와 청주 M15X 공장의 신속한 장비 도입을 통해 HBM 수요에 대응하고 있으며, 이와 함께 기술의 혁신을 지속적으로 추진하고 있다. 이런 전략은 반도체 시장에서의 경쟁력 강화를 위한 중요한 발판이 되고 있다.

• 삼성전자는 HBM3E와 관련하여 기술적 신뢰성을 높이는 데 주력하고 있으며, 발열 관리 문제 해결을 위한 다양한 접근을 시도하고 있다. HBM3E의 성공적인 퀄 테스트 통과와 발열 관리 문제의 해결이 이루어진다면, 이는 반도체 시장에서의 삼성전자의 위상을 한층 더 견고히 할 수 있는 기회로 작용할 것이다.

• 결과적으로, 앞으로의 시장 전망은 HBM 기술의 세대 진화 속도와 SK하이닉스 및 삼성전자의 설비 확대 여부에 의해 많은 영향을 받을 것이다. 기업들은 안정적인 퀄 테스트 통과, 발열 문제 해결, 고성능 제품 출시 시점을 조율하여 차별화된 경쟁력을 확보해야 하며, 이는 메모리 시장 내 경쟁 구도를 더욱 복잡하게 만들 것으로 예상된다.

용어집

• HBM (고대역폭 메모리): HBM(High Bandwidth Memory)은 수직적으로 적층된 D램 구조를 통해 기존 메모리보다 월등한 속도와 대역폭을 제공하는 메모리 기술로, AI, 머신러닝 등 고성능 연산에 필수적인 요소로 자리 잡고 있다.

• CAPEX (설비투자): CAPEX는 Capital Expenditure의 약자로, 기업이 자산을 획득하거나 유지하기 위해 지출하는 비용을 의미한다. SK하이닉스는 HBM 수요 증가에 대응하기 위해 2025년 CAPEX를 30% 상향하여 29조 원으로 조정하였다.

• 청주 M15X 공장: 청주 M15X 공장은 SK하이닉스가 HBM3E 코어 다이를 생산하기 위해 설계된 최신 시설로, D램과 HBM을 동시에 생산할 수 있는 능력을 보유하고 있다. 2025년 10월까지 장비 도입이 완료될 예정이다.

• HBM3E: HBM3E는 HBM(고대역폭 메모리) 기술의 다섯 번째 세대로, HBM3의 성능을 더욱 강화한 버전으로, 데이터 전송 속도가 최대 2배 빠르며 AI 연산 처리에 최적화되어 있다.

• 트랜지스터: 트랜지스터는 전자 신호를 증폭 및 스위칭하는 주요 전자 부품으로, 반도체 기술 발전의 기초가 되며 컴퓨터와 전자기기의 소형화, 효율성을 획기적으로 끌어올린 혁신적인 소자이다.

• 퀄 테스트: 퀄 테스트는 반도체 제품의 품질 및 성능을 검증하기 위한 과정을 의미한다. 삼성전자는 HBM3E의 퀄 테스트를 진행 중이며, 발열 문제와 관련하여 고객의 요구에 부응하기 위한 조치를 강화하고 있다.

• 발열 이슈: 발열 이슈는 반도체 제품이 작동할 때 발생하는 열에 대한 문제로, 이는 제품의 신뢰성과 성능에 영향을 미칠 수 있다. 삼성전자는 HBM3E의 발열 문제를 해결하기 위한 방안을 모색하고 있다.

• AI (인공지능): AI(Artificial Intelligence)는 컴퓨터와 기계가 인간의 인지적 기능을 모방하여 문제를 해결하며 학습하는 기술을 말한다. 현대 반도체 기술에서 AI는 대량의 데이터를 처리하는 데 필수적이다.

• 반도체 트렌드: 반도체 트렌드는 반도체 기술 및 시장에서의 주요 발전 방향과 경향을 나타내며, 현재 HBM 기술의 중요성이 급증하고 있는 상황을 포함한다.

• 메모리 시장: 메모리 시장은 컴퓨터와 전자기기에 사용되는 다양한 메모리 제품의 공급과 수요를 다루는 시장으로, HBM과 같은 고성능 메모리의 중요성이 증가하고 있다.

출처 문서

• “앞으로 주목할 반도체 기술은…” SK하이닉스와 반도체 전문가가 말하는 ‘반도체 트렌드’ | SK hynix Newsroomhttps://news.skhynix.co.kr/semiconductor-trends-2025/
• SK하이닉스, 올 설비투자액 30% 늘린다 - 전자부품 전문 미디어 디일렉https://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=34755
• 삼성전자 “HBM3E 퀄 승인, 발열 문제와 관계 없어” - 전자부품 전문 미디어 디일렉http://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=34339