엔비디아, 삼성·SK하이닉스·마이크론에 TSMC 공정 사용 요구

삼성전자, 엔비디아 맞춤형 HBM 베이스 다이 TSMC 3나노로 만든다

삼성전자가 엔비디아의 차세대 맞춤형 고대역폭메모리(HBM)인 ‘NVHBM’에 들어가는 베이스 다이를 대만 TSMC의 3나노미터(㎚) 공정으로 생산할 예정인 것으로 전해졌다. 엔비디아가 삼성전자와 SK하이닉스, 마이크론 등 메모리 3사에 동일한 생산 방식을 요구한 데 따른 것이다.

국내 언론이 업계 관계자를 인용해 18일 보도한 데 따르면 삼성전자가 HBM 제조 단계에서 TSMC와 손잡는 것은 이번이 처음이다. 두 회사는 약 4년 전 HBM을 그래픽처리장치(GPU)와 연결하는 패키징 호환성 확보를 위해 협력한 적은 있지만, HBM 생산 자체에서 협력한 적은 없었다.

엔비디아 “베이스 다이는 TSMC, 코어 다이는 1c D램으로”

HBM은 D램 칩인 코어 다이를 여러 층 쌓고, 맨 아래에 이를 제어하는 베이스 다이를 붙인 구조다. 엔비디아는 NVHBM 공급사인 메모리 3사에 베이스 다이는 TSMC 3나노 공정으로, 코어 다이는 10나노급 6세대(1c) D램 기술로 만들어 달라고 요구한 것으로 알려졌다.

공급사마다 제조 방식이 다르면 같은 설계로도 일정한 성능을 내기 어렵고, 공급사별로 제품을 따로 검증해야 하는 부담도 커진다. 생산 방식을 통일하면 HBM 성능을 고르게 맞추면서 검증 과정도 단순해진다.

삼성전자는 메모리와 시스템반도체 설계, 파운드리, 패키징을 모두 갖춘 사업 구조를 바탕으로 지금까지 공급하는 모든 HBM의 코어 다이와 베이스 다이를 직접 만들어 왔다. 하지만 파운드리 사업을 맡는 디바이스솔루션(DS)부문이 내부 검토를 거쳐 엔비디아의 요구를 받아들이면서, NVHBM에 한해서는 설계부터 생산까지 자체적으로 처리하던 방식을 바꾸게 됐다.

메모리 컨트롤러 품은 NVHBM

엔비디아는 지난 8월 26일 7세대 HBM인 HBM4E를 바탕으로 한 맞춤형 제품 NVHBM을 공개했다. 그동안 GPU에 들어 있던 메모리 컨트롤러를 HBM 베이스 다이 안으로 옮기고, 엔비디아 제품에 맞춘 베이스 다이를 적용한 것이 특징이다. 메모리 컨트롤러가 들어가면서 베이스 다이 제작에도 첨단 로직 공정이 필요해졌다.

엔비디아에 따르면 NVHBM은 표준 HBM4E보다 메모리 대역폭이 최대 30% 넓고, HBM 전력 소모는 15% 적다. 컨트롤러가 빠진 만큼 GPU 등 연산 칩에 쓸 수 있는 면적도 25% 늘어난다. 엔비디아는 NVHBM을 주요 메모리 업체들과 함께 설계하고 검증하겠다고 밝혔다.

일반 HBM·AMD 등 다른 고객용은 자체 생산 유지

삼성전자는 일반 HBM과 엔비디아 외 고객사용 맞춤형 제품은 기존처럼 자체 생산 방식을 유지할 계획이다. AMD 등에 공급하는 맞춤형 HBM도 여기에 해당한다.

삼성전자는 올해 초 양산에 들어간 6세대 HBM4와 양산 검증 단계인 7세대 HBM4E의 베이스 다이를 자체 파운드리 4나노 공정으로 만들고 있다. 두 제품의 코어 다이는 화성과 평택캠퍼스의 1c D램 라인에서 생산한다. 삼성전자는 지난 14일 개막한 반도체대전(SEDEX 2026)에서 HBM4E를 선보였다. 삼성전자는 앞서 8일 메모리 수요 증가에 힘입어 3분기 잠정 영업이익 107조4,000억원, 매출 195조원을 기록했다고 발표했다.

다만 삼성전자는 TSMC의 생산능력이 부족해질 경우에 대비해 NVHBM 베이스 다이를 자체 파운드리에서 생산하는 방안도 검토하고 있다. 2나노 공정에서 NVHBM 베이스 다이 생산이 가능한지 검증 중이다. 한 업계 관계자는 “NVHBM 수요가 TSMC 생산능력을 넘어설 경우에 대비한 것”이라고 설명했다. 업계에서는 TSMC 3나노 공정의 수율을 90% 이상, 삼성 파운드리 2나노(SF2) 공정 수율을 60% 안팎으로 추정한다.

SK하이닉스는 HBM4부터 TSMC와 협력

시장조사업체 트렌드포스는 올해 세계 HBM 비트 생산량에서 SK하이닉스의 점유율이 지난해 59%에서 50%로 낮아지고, 삼성전자는 20%에서 28%로 높아질 것으로 전망했다. 삼성전자는 지난 2월 HBM4 출하를 시작한 것으로 알려졌다.

엔비디아는 차세대 AI 가속기 ‘베라 루빈’용 HBM4에 국제반도체표준협의기구(JEDEC) 표준인 8Gbps를 넘는 10Gbps 이상의 데이터 전송 속도를 요구해 왔다. 마이크론은 루빈 CPX 같은 중급 추론용 가속기에 HBM4를 공급할 것으로 예상됐다.

SK하이닉스는 이미 TSMC와 손잡고 있다. SK하이닉스는 2024년 TSMC와 HBM4 및 차세대 패키징 기술 개발에 합의했고, HBM4 베이스 다이에 TSMC의 첨단 로직 공정을 적용하고 있다. 엔비디아 GPU와 HBM은 TSMC의 첨단 패키징 기술인 CoWoS로 하나의 칩처럼 결합된다. 엔비디아의 이번 요구로 HBM 3사가 모두 NVHBM 베이스 다이를 TSMC에 맡기게 됐다. 삼성전자와 TSMC는 퀄컴과 테슬라 등 파운드리 고객을 놓고 경쟁하는 사이이기도 하다.

메모리 반도체주는 최근 약세를 보였다. 지난 15일 한국 증시에서 삼성전자는 9.48%, SK하이닉스는 11.06% 급락했다. 16일 미국 증시에서는 필라델피아 반도체지수가 3.83% 내리며 8거래일 연속 하락했고, SK하이닉스 주식예탁증서(ADR)는 6.58%, 마이크론은 5.63% 떨어졌다.

TSMC의 3나노 공정 부담은 커지고 있다. 3나노 공정은 TSMC의 3분기 웨이퍼 매출에서 33%를 차지해 공정별 비중이 가장 컸다. TSMC는 지난 15일 실적 발표에서 AI 가속기와 스마트폰 칩 수요가 몰리며 3나노 생산능력이 빠듯하다고 밝혔다.

TSMC의 3분기 매출은 1조4,942억대만달러(약 467억2,000만달러)로 1년 전보다 50.9% 늘었고, 순이익은 7,631억대만달러로 68.7% 증가했다. 웨이저자 TSMC 회장 겸 최고경영자(CEO)는 데이터센터 건설과 전력, HBM, 첨단 패키징 등 공급망 전반을 점검하고 있지만 여전히 AI 반도체 수요가 공급을 웃돌고 있다고 말했다. TSMC는 올해 설비투자 규모를 600억~640억달러로 제시했다.

웨이 회장은 대만 남부 타이난에 3나노 공장을 추가로 짓겠다고 발표했다. 새 공장은 2028년 상반기 양산을 목표로 한다. TSMC는 미국 애리조나와 일본 구마모토, 대만 남부과학단지에서도 생산능력을 늘리고 있다.