[딜사이트 김민기 기자] 최근 인공지능(AI) 열풍으로 고대역폭메모리(HBM) 수요가 폭발하자 반도체 웨이퍼 투입량이 급격히 늘어나면서 내년부터는 D램 쇼티지(공급부족) 현상이 두드러질 것으로 전망되고 있다. 아울러 메모리 제조업체들이 HBM 투자는 늘리고 있지만 기존 D램 범용제품에 대한 투자는 유지하고 있어 수요 회복이 본격화 되는 내년부터는 범용 D램 쇼티지 현상으로 인한 가격 급등도 기대되고 있다. 이에 삼성전자도 '낙수효과'를 얻으면서 반도체(DS) 부문 실적이 급격히 개선될 것으로 전망되고 있다.

27일 반도체 업계에 따르면 삼성전자가 업계 최초로 36GB(기가바이트) 12단 적층 HBM3E 개발에 성공했다. 이는 24Gb(기가비트) D램 칩을 TSV(실리콘 관통 전극) 기술로 12단까지 적층해 업계 최대 용량인 36GB HBM3E 12H를 구현한 것이다. 

마이크론도 이날 5세대 고대역폭메모리인 'HBM3E' 양산을 시작했다고 밝혔다. 이 회사의 HBM3E는 8단으로 D램을 쌓아 24GB 용량을 구현한 것으로, D램 칩은 10나노급(1b), TSV(실리콘 관통 전극) 등의 기술로 적층했다.

이처럼 삼성전자는 12단으로, SK하이닉스와 마이크론은 8단으로 D램 웨이퍼를 적층하는 형태로 HBM을 만들고 있다. 일반적으로 기존 범용제품 D램(DDR5)는 웨이퍼 전공정을 마친 후 칩 단위로 잘라낸 뒤 좋은 다이(die)만 골라내 패키징한다.

하지만 HBM은 전공정을 마친 후 TSV 공정까지 개별 반도체 칩으로 자르는 다이싱(Dicing)을 하지 않고 웨이퍼를 적층 후 패키징하는 WLP(Wafer level packaging)을 진행한다. 이 경우 적층한 칩 중 하나의 칩만 불량이더라도 패키지 전체를 버려야 하기 때문에 수율에 불리해 웨이퍼 투입량이 크게 늘어나고 있다. 웨이퍼도 8장 또는 12장을 한꺼번에 쌓아 올리면서 투입되는 웨이퍼량이 기하급수적으로 늘어나고 있다. 

채민숙 한국투자증권 연구원은 "한 층의 수율이 90%인 웨이퍼를 8층 적층해 HBM을 만든다면 이론적으로 단순 계산하면 HBM 칩 하나의 수율은 90% 곱하기 8제곱으로 최종 수율은 43%"라며 "HBM의 경우는 웨이퍼 테스트의 조건을 강화해 양품이 될 수 있는 칩을 골라내는 것이 중요하다"고 전했다.

또 다른 반도체 업계 관계자도 "단순히 HBM 수율을 계산해보면 기본 다이(die) 수율에 다음 공정 수율(TSV 수율 X 2.5D 패키지 수율)을 곱하는 형태라 현실적으로 많이 떨어질 수밖에 없다"며 "연간 엔비디아 서버용 GPU가 팔리는 대수 대비 HBM 웨이퍼 소모가 많은 것도 이러한 이유"라고 전했다.

HBM은 이처럼 기존 D램 대비 수율이 65%대 수준으로 낮고 WLP 특성상 80~90%로 끌어올릴 수도 없기에 투입되는 웨이퍼량을 줄이는데 한계가 있다.  키움증권에 따르면 삼성전자의 월 HBM 캐파(생산능력)는 웨이퍼 환산 기준 지난해 2분기 2만5000장에서 올해 4분기 15만장~17만장 수준으로 증가할 전망이다. 같은 기간 SK하이닉스의 캐파도 3만5000장에서 12만~14만장 규모로 늘 것으로 추정된다.

다만 HBM에 투입되는 웨이퍼는 늘고 있지만 전체 웨이퍼 출하량은 감소세다. 국제반도체장비재료협회(SEMI)에 따르면 지난해 전 세계 실리콘 웨이퍼 출하량은 126억200만제곱인치(in²)로, 전년보다 14.3% 감소했다. 웨이퍼 출하량 감소는 지난 2019년 이후 4년 만이다. 올해도 주로 HBM에 웨이퍼가 다수 투입되지만 기존 D램에는 웨이퍼 투입이 오히려 줄어들 것으로 예상되고 있다.

반도체 업계 관계자는 "지금 메모리 반도체 제조사들이 캐파 증설을 적극적으로 하고 있는 흐름은 아닌데 그 와중에 HBM 시장만 활황이다 보니 HBM에 대한 TSV쪽 투자만 집중하고 있다"며 "결국 웨이퍼 출하량의 증가폭은 그렇게 크지 않은 상황에서 D램 생산량이 늘지 않아 조금이라도 수요가 늘면 쇼티지가 날 가능성이 높다"고 전했다. 

결국 HBM에 웨이퍼 투입과 케팩스(설비 투자)가 몰리면서 향후 D램 수요가 살아났을 때 D램 제품에 대한 공급 부족이 현실화 되면 반도체 슈퍼사이클이 올 것이라는 게 전문가들의 전망이다. 특히 삼성전자는 지난해 4분기 모바일 D램 수요가 급증하면서 D램 점유율 45.7%를 회복, 7년만에 최고 수준을 기록했다. 올해도 본격적인 반도체 수요 회복을 통한 D램 가격 상승이 가속화되면 실적 또한 크게 개선될 것으로 점쳐진다. 실제 신한투자증권은 삼성전자의 올해 영업이익은 30조9538억원, 내년도 영업이익은 44조6309억원으로 하반기부터 본격적인 이익 개선세가 보일 것으로 전망했다.

김형태 신한투자증권 연구원은 "고부가 제품 채택이 확대되는 가운데 공급 제약에 따른 재고 정상화가 상반기 내 확인될 것으로 판단된다"면서 "하반기로 갈수록 메모리 반도체 가동률 정상화 및 가격 상승 효과가 극대화될 것으로 기대된다"고 전했다.