차세대 반도체 HBM, GDDR, CXL DRAM, 화합물반도체 - 투자를 위한 반도체 테마 지식 Part 6

반도체 산업은 지속적인 혁신을 거듭하며 발전하고 있다. 차세대 반도체 기술은 성능 향상과 전력 효율성을 극대화하는 방향으로 변화하고 있으며, HBM, GDDR, CXL DRAM, 화합물 반도체 등이 미래의 반도체 시장을 이끌어갈 핵심 기술로 주목받고 있다.

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HBM(High Bandwidth Memory)

• HBM은 기존 DRAM 대비 월등한 대역폭을 제공하는 고성능 메모리 반도체이다. 여러 개의 DRAM 칩을 수직으로쌓아 구성하며, 고성능 컴퓨팅 기기에서 연산 속도를 극대화하는 역할을 한다.
• HBM은 패키징 기술을 활용해 4층 이상의 DRAM 다이(die)를 수직으로 적층하여 집적도를 높인다. 이를 통해 처리 속도를 향상시키면서도 공간을 절약하고 전력 소비를 줄여 경제성을 높일 수 있다. 각 레이어는 실리콘관통전극(TSV)과 마이크로 범프(microbump)를 통해 상호 연결되며, CPU나 GPU와 인터포저라는 초고속 인터커넥트를통해 연결된다.
• HBM은 특히 GPU에 탑재되어 동시다발적인 작업을 수행할 수 있어 게임과 AI 분야에서 활용이 확대되고 있다. 현재는 전체 DRAM 시장에서 차지하는 비중이 1% 수준이지만, 향후 가장 빠르게 시장이 성장할 것으로 예상된다.
• 초기에는 복잡한 구조로 인해 수율이 낮아 시장에서 외면받았으나, 기술 발전과 생산성 향상, 인공지능(AI) 수요증가로 인해 현재는 입지가 크게 높아졌다. 다만 기존 DRAM 대비 가격이 2~3배 비싸다는 단점이 있다.
• 현재 HBM3까지 개발되어 양산에 성공했으며, 시장 점유율은 SK하이닉스가 50%, 삼성전자가 40%, 마이크론이10%를 차지하고 있다. 다만 일부 분석에서는 삼성전자가 50%, SK하이닉스가 40%를 차지한다는 견해도 있다.
• 국내 HBM 관련 주요 기업으로는 HPSP, 한솔케미칼, 동진쎄미켐, 솔브레인, 주성엔지니어링, 원익IPS, 파크시스템스, 에스앤에스텍, 레이크머티리얼즈, 유진테크 등이 있다.

GPT를 통해 생성된 이미지

GDDR(Graphics DDR)

• GDDR은 그래픽 연산을 담당하는 GPU를 지원하는 DRAM이다. CPU의 연산을 돕는 DDR과 같은 역할을 하지만, 그래픽 처리에 특화되어 있다.
• HBM이 등장하면서 상대적으로 주목도가 낮아졌으나, HBM보다 높은 호환성과 더 많은 용량을 제공할 수 있는장점이 있다. HBM은 GDDR 대비 속도와 대역폭이 2~3배 높고, 전력 소모가 적으며, 차지하는 면적도 작다. 하지만 HBM은 가격이 비싸고, 제조 공정이 복잡하며, 기존 시스템과의 호환성이 낮은 단점이 있다.
• AI 및 자율주행 기술이 급격히 성장하면서 GDDR도 다시 주목받고 있으며, 특히 GDDR6 및 GDDR7이 개발되면서 성능이 지속적으로 개선되고 있다. AI 메모리가 결국 HBM으로 발전할 것으로 예상되지만, 고가의 HBM을 대체할 수 있는 메모리로 GDDR이 중요한 역할을 할 것으로 전망된다.

GPT를 통해 제작된 이미지

CXL DRAM

• CXL(Compute Express Link)은 데이터센터와 클라우드 컴퓨팅 환경에서 성능과 확장성을 높이기 위해 개발된 고급 인터커넥트 표준이다. 고대역폭과 낮은 지연시간을 제공하며, 주로 메모리, CPU, 가속기 간의 데이터 전송을효율적으로 처리하는 데 사용된다.
• CXL은 데이터 중심 애플리케이션에서 높은 성능을 발휘하며, AI 및 머신러닝 분야에서 중요한 역할을 한다. 차세대 컴퓨팅 시스템의 핵심 요소로 자리 잡고 있으며, PCIe(Peripheral Component Interconnect Express) 물리 계층위에 구축되어 기존 하드웨어 및 소프트웨어와의 호환성도 제공한다.
• CXL은 CPU의 메모리 공간과 연결된 장치의 메모리 간 일관성을 유지하면서 높은 성능을 구현할 수 있으며, 간소화된 소프트웨어를 통해 전체 시스템 비용을 절감할 수 있다. 또한 메모리 풀링(memory pooling) 기술을 지원하여다수의 메모리 모듈을 하나의 거대한 메모리 자원으로 통합할 수 있어 시스템의 메모리 활용도를 극대화할 수 있다.
• 삼성전자는 512GB 용량의 CXL DRAM을 개발했으며, 이를 통해 서버의 용량을 수십 테라바이트(TB) 이상으로확장할 수 있다.

화합물 반도체

기존 반도체는 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)으로 제작되었으며, 단일 원소로 구성되어 있다. 하지만 화합물 반도체는 두 개 이상의 원소를 결합하여 제조되며, 대표적으로 실리콘 카바이드(SiC)와 질화 갈륨(GaN) 기반 반도체가 많이 사용되고 있다.

기존 실리콘 반도체는 10나노미터(nm) 공정까지 발전했으나, 집적도가 증가하면서 물리적 한계에 도달하고 있다. 속도 향상이 어렵고, 발열 현상이 심해지는 문제가 발생하고 있다. 반면, 화합물 반도체는 전력 소비가 낮고, 높은 온도에서도 내구성이 뛰어나며, 고전압을 견딜 수 있는 장점이 있다. 또한 부품 부피와 무게를 획기적으로줄일 수 있지만, 아직 제조 공정이 복잡하고 비용이 높다는 단점이 있다.

• GaN(질화 갈륨) 반도체
  GaN 반도체는 고전압에서도 높은 열전도율과 빠른 주파수 스위칭 속도를 갖추고 있어 무선 주파수(RF) 소자나가전제품에 적합하다. 또한 SiC와 유사한 성능을 가지면서도 저렴한 기판에서 제조할 수 있어 비용 절감 효과가크다. 자동차 분야에서는 충전기, 직류-직류(DC-DC) 컨버터, 라이다(LiDAR) 센서 등에 활용되고 있다.
• SiC(실리콘 카바이드) 반도체
  SiC 반도체는 제조 기술 난이도가 높지만, 고전압 및 고온 환경에서 높은 안정성을 유지할 수 있어 전기차(EV) 소자로 적합하다. 실리콘 반도체보다 가격이 높지만, 전기차의 주행거리를 10% 이상 늘릴 수 있고 충전 시간을 단축할 수 있어 필수 부품으로 자리 잡고 있다. 또한 냉각 장치와 같은 부품들의 무게와 부피를 줄일 수 있어 연비 향상에도 기여할 수 있다.

GaN반도체와 SiC반도체 비교 (자료: Cnet, IBK투자증권)

 

 *본 내용은 시장 자료, 각종 리포트, 뉴스 보도 등을 근거로 블러거가 직접 작성한 것으로 참고 자료에 따라 최근 내용을 반영하지 못할 수 있습니다