삼성전자, 세계 최고 성능 HBM4 양산… “AI 데이터 병목, 13Gbps 초고속으로 뚫는다”

삼성전자가 세계 최초로 업계 최고 성능을 갖춘 HBM4(4세대 고대역폭메모리) 양산 출하를 시작하며 시장 선점에 본격적으로 나섰다. 삼성전자는 개발 착수 단계부터 국제 반도체 표준 기구인 JEDEC의 기준을 뛰어넘는 성능을 목표로 삼았다. 특히 이번 제품에는 최선단 공정인 1c D램(10나노급 6세대)을 업계 최초로 도입해, 재설계 과정 없이도 양산 초기부터 안정적인 수율과 압도적인 성능을 확보하는 데 성공했다.

• JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council): 반도체 소자의 표준 규격을 제정하는 국제 산업 표준 기구.

삼성전자 메모리개발담당 황상준 부사장은 “삼성전자 HBM4는 기존에 검증된 공정에만 의존하던 관례를 깨고, 1c D램과 파운드리 4나노 같은 최선단 공정을 과감히 적용했다”며, “공정 경쟁력과 설계 최적화를 통해 성능 확장의 여력을 충분히 확보했고, 이를 통해 높아지는 고객의 성능 요구를 적기에 충족시킬 수 있었다”고 밝혔다.

11.7Gbps 속도 확보… 최대 13Gbps로 AI 병목 해소

삼성전자는 HBM4의 기술 경쟁력을 극대화하기 위해 1c D램을 탑재하는 한편, 베이스 다이의 특성을 고려하여 성능과 전력 효율 면에서 가장 유리한 4나노 공정을 적용했다.

• 베이스 다이(Base Die): HBM 적층 구조의 최하단에 위치하여 전력과 신호를 제어하는 기본 칩.

그 결과, 삼성전자의 HBM4는 JEDEC 표준인 8Gbps보다 약 46% 더 빠른 11.7Gbps의 동작 속도를 안정적으로 확보하며 성능의 새로운 기준을 정립했다. 이는 전작인 HBM3E의 최대 속도(9.6Gbps)보다 약 1.22배 향상된 수치다. 최대 13Gbps까지 구현이 가능해, AI 모델이 거대해질수록 심화되는 데이터 병목 현상을 효과적으로 해소할 것으로 기대된다.

또한 단일 스택 기준 총 메모리 대역폭을 전작 HBM3E 대비 약 2.7배 향상된 최대 3.3TB/s(초당 테라바이트) 수준으로 끌어올렸다. 이는 고객사가 요구하는 3.0TB/s를 상회하는 성능이다. 삼성전자는 12단 적층 기술을 통해 24GB~36GB 용량을 제공하며, 향후 고객사 일정에 맞춰 16단 적층 기술을 적용해 최대 48GB까지 용량을 확장할 계획이다.

• HBM4 단일 다이 용량: 24Gb(기가비트) = 3GB(기가바이트)

• HBM4 8단 용량: 24GB (3GB D램 x 8)

• HBM4 12단 용량: 36GB (3GB D램 x 12)

• HBM4 16단 용량: 48GB (3GB D램 x 16)

저전력 설계로 발열 잡고 효율 40% 개선

데이터 전송 통로인 I/O 핀 수가 기존 1,024개에서 2,048개로 두 배 늘어남에 따라 전력 소모와 열 집중 문제가 발생할 수 있다. 삼성전자는 이를 해결하기 위해 코어 다이에 특화된 저전력 설계 기술을 적용했다.

• 데이터 전송 I/O(Input/Output): 메모리와 GPU 사이에서 데이터를 주고받는 입출력 통로.

• 코어 다이(Core Die): HBM의 핵심인 D램을 수직으로 쌓아 올린 칩. HBM은 D램인 코어 다이와 컨트롤러인 베이스 다이로 구성된다.

또한 TSV 데이터 송수신 저전압 설계 기술과 전력 분배 네트워크(PDN) 최적화를 통해 에너지 효율을 전 세대 대비 약 40% 개선했다. 열 저항 특성은 약 10%, 방열 특성은 약 30% 향상되어 데이터센터의 운영 효율을 높였다.

• TSV(Through Silicon Via, 실리콘 관통 전극): 수천 개의 미세 구멍을 뚫은 D램 칩을 수직으로 쌓고, 칩 사이를 전극으로 연결하는 첨단 패키징 기술.

• TSV 데이터 송수신 저전압 설계: 데이터 입출력 구동 회로의 전압을 1.1V에서 0.75V로 낮춰 TSV 구동 전력을 약 50% 절감하는 기술.

• 전력 분배 네트워크(PDN): 칩 내부에 전력을 공급하는 망으로, 고속 동작 시에도 안정적인 전력 공급을 돕는 핵심 기술.

삼성전자의 HBM4는 데이터센터 환경에 최적화된 성능과 신뢰성을 동시에 갖췄다. 고객사는 이를 통해 GPU 연산 성능을 극대화하면서도 서버 및 데이터센터의 전력 소모와 냉각 비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있다.

‘원스톱 솔루션’ 강점… 매출 3배 성장 전망

삼성전자는 세계에서 유일하게 로직, 메모리, 파운드리, 패키징 기술을 모두 보유한 IDM(종합 반도체 기업)으로서 ‘원스톱 솔루션’을 제공한다. 향후 HBM 기술이 고도화될수록 베이스 다이의 역할이 더욱 중요해질 전망이다.

삼성전자는 자체 파운드리 공정과 HBM 설계 간의 긴밀한 협업(DTCO)을 통해 품질과 수율을 동시에 잡은 최고 수준의 HBM을 지속적으로 개발할 계획이다. 또한 선단 패키징 역량을 자체 보유하고 있어 공급망 리스크를 최소화하고 생산 리드타임(소요 시간)을 단축할 수 있는 독보적인 경쟁력을 갖췄다.

현재 삼성전자는 글로벌 주요 GPU 업체 및 자체 칩을 개발하는 하이퍼스케일러(대규모 데이터센터 운영사) 고객들로부터 HBM 공급 요청을 꾸준히 받고 있으며, 기술 협력을 더욱 확대할 방침이다. 이러한 시장 흐름에 발맞춰 삼성전자는 2026년 HBM 매출이 2025년 대비 3배 이상 증가할 것으로 내다보고 HBM4 생산 능력을 선제적으로 확대하고 있다.

업계 최대 수준의 D램 생산능력과 선제적 인프라 투자로 확보한 클린룸을 기반으로, HBM 수요 급증 시에도 단기간 내 유연하게 대응할 수 있는 생산 역량을 갖췄다. 특히 2028년부터 본격 가동될 평택사업장 2단지 5라인은 HBM 생산의 핵심 거점이 될 예정이다. 이를 통해 AI 및 데이터센터 중심의 중장기 수요 확대 국면에서도 안정적인 공급망을 유지할 계획이다.

2026년 HBM4E, 2027년 맞춤형 HBM으로 차세대 라인업 가동

삼성전자는 HBM4에 이어 차세대 제품인 HBM4E도 준비 중이며, 2026년 하반기에 샘플을 출하할 계획이다.

• HBM4E: HBM4의 기본 구조를 바탕으로 동작 속도, 대역폭, 전력 효율을 한층 더 끌어올린 확장형 모델.

아울러 ‘커스텀(Custom) HBM’도 2027년부터 고객사별 요구에 맞춰 순차적으로 샘플링을 시작한다.

• 커스텀(Custom) HBM: 고객의 AI 가속기나 GPU 아키텍처에 맞춰 용량, 속도, 전력 특성 등을 맞춤 설계한 제품. 범용 제품과 달리 특정 연산 구조와 환경에 최적화해 효율을 극대화한다.

HBM4 양산 과정에서 입증된 1c 공정 기반의 품질과 공급 안정성은, 향후 HBM4E 및 커스텀 HBM 등 고부가가치 제품으로 전환하는 과정에서도 강력한 경쟁 우위가 될 것으로 기대된다.