HBM 산업 총정리

Chat GPT가 대중화되고, 생성형 AI에 대한 관심이 폭발하면서 AI 반도체 GPU를 생산하는 엔비디아가 최근 2분기 어닝서프라이즈를 기록했습니다. 여기서 GPU란 게임이나 동영상 등 그래픽 연산에 특화된 프로세서로 AI연산에 사용되고 있습니다. 이런 GPU에는 고성능 HBM이 탑재되고, HBM 수요도 함께 폭발하면서 국내 HBM 관련주들이 주목받고 있습니다. 

 

 

글로벌 경기 침체로 반도체 수요가 줄면서 업황의 부진이 지속될 예정이지만, 빅테크 기업의 AI 투자는 오히려 확대될 전망이어서 HBM 관련 기업 실적은 개선되고, 주가도 우상향 되지 않을까 예상합니다. 조금 늦은 감이 있지만, 꼭 알아야 할 HBM 산업 총정리해  드리겠습니다. 

 

HBM 산업 총정리

 

HBM 산업 성장 배경

2023년의 최고 이슈중의 하나는 바로 ChatGPT입니다. ChatGPT는 인간의 일상언어를 통해 정보검색이나 요약, 코드 작성 등 다양한 정보를 처리하고 생성하는 AI 서비스입니다. ChatGPT로 인해 본격적인 AI 대중화가 시작되고, 생성형 AI 시장이 확대되고 있습니다. 

 

(1) 예상되는 AI 시장

• AI는 자율주행차에 탑재되어 판단과 제어 기능을 고도화하며 자율주행 가속화에 기여
• AI는 메타버스 상용화를 위해 해결해야 하는 콘텐츠 부족, XR 기술적 한계, 높은 하드웨어 가격 개선
• 생성형 AI를 통해 XR 3d 모델 제작에 요구되는 비용과 시간 단축
• AI로 인해 지능형 로봇의 작업 속도와 효율이 크게 향상, 로봇의 자율적인 의사결정 가능

 

(2) GPU 수요 증가

GPU(Graphic processing unit)란 그래픽 연산을 빠르게 처리해 결괏값을 모니터에 출력하는 연산장치로 AI, 빅데이터, 자율주행차 등은 일정한 룰을 반복해 빠른 속도로 데이터를 처리에 효과적입니다. 1990년대 초반만 해도 그래픽카드는 단순히 모니터 화면을 출력하는 어댑터와 같은 부품정도로만 인식했지만, 1990년대 중반부터 게임산업이 주목을 받기 시작하면서 그래픽카드의 역할이 매우 중요하게 여기게 되었습니다. 

 

기존의 CPU는 몇 개의 코어로 구성되어 직렬 처리 작업으로  하나의 작업을 순차적으로 처리하거나 동시에 처리하는데 적합니다. 반면에 GPU는 수백개에서 수천 개의 작은 코어를 가지고 병렬처리 작업을 처리하는데 특화되어 있습니다. GPU가 CPU 대비 훨씬 빠르고 정밀화된 작업이 가능해 AI, 빅데이터, 자율주행차 등에 사용되고 있, 향후 더욱 성장할 전망입니다. 

 

GPU라는 용어는 엔비디아에서 1996년 지포스256을 '세계 최초의 GPU'라고 명명하면서 널리 알려지게 되었습니다. 동시다발적으로 발생하는 정보들을 빠르게 처리해야 하는 생성형 AI를 위해서는 이러한 GPU가 토대가 되어야 하고, 현재 GPU 시장의 58.5% 이상 (2023년 7월) 차지하고 있습니다. 그 뒤로 AMD, Intel가 추격하고 있습니다. 

 

엔비디아 GPU

 

얼마 전 엔비디아는 2분기 깜짝 실적을 발표했습니다.  2분기(5~7월) 135억1천만 달러(17조 8754억 원)의 매출을 기록했고, 이는 시장 예상치를 훨씬 뛰어넘는 매출이었습니다. 특히 데이터센터 사업부 매출이 전년 동기 대비 171% 성장했습니다. 기존 데이터센터에서 엔비디아의 칩을 사용하고 있고, 빅테크 기업들도 AI에 집중투자하고 있어 당분간 수요는 지속될 전망입니다. 

 

엔비디아 실적

 

이런  GPU에 사용되는 메모리 반도체가 고대역폭 메모리 HBM 입니다. 

 

HBM 산업 현황

(1) HBM 이란 ? 

HBM(High Bandwidth Memory)는 광대역폭 메모리로 여러 개의 D램을 수직으로 연결해 기존 D램 보다 데이터 처리 속도를 혁신적으로 끌어올린 제품입니다. HBM은 D램을 수직 적층 구조로 쌓기 때문에 GPU의 크기도 줄이고, 고용량으로 구현하기 쉬워 고대역폭 메모리 성능을 달성하고 있습니다. 

 

 

(2) HBM 핵심 기술

D램이 단층이라면, HBM은 D램 여러 개를 적층 해서 쌓아 올리는 구조입니다. 이 HBM은 D램 적층 기술과 칩끼리 붙이는 본딩이 핵심인데, 과거에는 wire Bonding이 주를 이루었지만, 현재는 TSV공법이 점차 확대되고 있습니다. TSV란 실리콘을 뚫어 전도성 재료로 채운 전극을 의미하며 칩을 적층 하기 위한 기술입니다. 

 

HBM 관련기술

 

(3) HBM 주요 기업

현재 HBM의 90%가 한국기업이 차지하고 있습니다. SK하이닉스가 50%, 삼성전자가 40%로 과거에 삼성전자가 HBM 시장을 비관적으로 생각해 사업부를 접은 결과로 현재 후발주자로 뛰고 있습니다.

 

① SK하이닉스

SK하이닉스는 엔비디아와 HBM  초기 시장에서부터 협력관계를 이어와 엔비디아에 독점으로 HBM을 공급하고 있습니다. 최근 4세대 제품인 HBM3를 전세계애서 유일하게 양산하고, 8월 21일에는 다음 세대 제품인 HBM3 E 개발도 성공했다고 밝혔습니다. 현재 HBM 개발에서 SK 하이닉스가 앞서가면서 업계에선 D램의 경우 SK 하이닉스의 경쟁력이 삼성전자를 뛰어넘었다는 평가도 나오고 있습니다. 

 

SK하이닉스 HBM3E 과 삼성전자 HBM3

 

② 삼성전자

삼성전자는 HBM 시장에서 SK하이닉스에 이은 후발주자에 머무르고 있습니다. 삼성전자는 2세대부터 HBM2를 2016에 양산하기 시작했습니다. 3세대인 HBM2E를  SK하이닉스보다 1년 늦은 2020년부터 양산했습니다. 삼성전자는 최근 AMD에 3세대 HBM3를 납품할 전망입니다. AMD는 AI용 GPU 시장에서 엔비디아의 도전자로 엔비디아의 최신 GPU H100에 맞설 MI300을 양산할 계획인데, 삼성전자의 손을 잡을 것으로 보입니다. 

 

아직 확정은 아니지만 업계에선 삼성전자가 엔비디아에 HBM 및 첨단패키징 서비스를 함께 공급할 것이라는 관측도 나왔습니다. 생성형 AI 성장으로 HBM 수요가 폭발하면서 삼성과의 협력도 이뤄지지 않을까하는 전망입니다. 

 

③ 한미반도체

한미반도체는 AI반도체 시장이 성장하고 주목받으면서 올 들어서만 주가가 5배 가까이 급등하였습니다. 한미반도체는 반도체 제조용 장비를 만드는 회사로 SK하이닉스 HBM3 설비에 TC 본더 장비를 독점적으로 공급하는 한편, 차세대 제품인 12단 적층용 장비 납품도 올해 지행할 예정입니다. 

 

한미반도체는 지금까지 총 106건의 본딩 장비 특허를 출원했고, 제조업을 영위하는 회사임에도 영업이익률은 연 평균 30% 이상을 유지하고 있습니다. 

TSV TC 본더는 챗GPT 구현을 위한 HBM 칩 생산 핵심장비로, HBM 수요확대는 곧 TSV용 듀얼 TC 본더 납품으로 연결됩니다. 

한미반도체 HBM용 듀얼 TC본더 드래곤

 

④ 이오테크닉스

이오테크닉스는 반도체 및 디스플레이와 PCB, Macro(2차전지) 제조공정에 사용되는 레이저마커, 레이저응용기기 제조 및 판매를 영위하는 기업으로 레이저 마킹 분야에서는 국내 95%, 해외 60% 이상의 점유율을 보유하고 있습니다.

 

이오테크닉스의 주요고객사는 삼성전자로 HBM 생산설비 확장에 따른 레이저 어닐링장비 매출 확대와 2024년부터 레이저 그루빙 및 스텔스 다이싱장비 매출 성장이 기대되고 있습니다. 레이저 어닐링장비는 반도체 결함부에 레이저로 이온을 주입해 원래 위치에서 벗어난 실리콘 원자를 복원하는데 쓰이고 있습니다. 

 

이오테크닉스

 

⑤ 이수페타시스

이수페타시스는 PCB(회로 기판) 제조 판매하는 기업으로 엔비디아, 인텔, 알파벳, MS 등 주요 글로벌 반도체 업체에 PCB를 납품하고 있습니다. 올해 주가가 487% 급등해 가장 성과가 좋은 기업 중 하나로 평가하고 있습니다. 

 

인공지능 반도체가 각광을 받으면서 엔비디아가 폭풍 질주하면서 엔비디아에 직접 납품을 하는 이수페타시스에 대한 관심이 상당히 높아진 거스올 보입니다. 

 

이수페타시스

⑥ 대덕전자

대덕전자는 고성능 반도체 기판 FC-BGA를 제조하는 회사로 FC-BGA는 PCB의 한 종류입니다. 메인보드와 부품을 연결할 때 금속 볼을 만드는 플립칩 방식을 사용해 기판이 큰 것이 특징인데, 으로 고성능 반도체를 만들려면 반도체의 두뇌 역할을 하는 코어가 기판 위에 많아야 하는데 이를 위해서는 기판 크기가 커야 합니다. 

 

대덕전자의 올해 매출액 예상치는 9980억원인데 내년엔 25% 성장할 것으로 보입니다. 다만, AI 관련 수혜를 직접적으로 받기에는 시간이 걸릴 것이라는 지적도 있습니다. 

 

HBM 향후 전망

글로벌 HBM 시장 규모는 올해 20억4천만달러(2조2,277억원) 규모로, 2028년엔 63억 2천만 달러(8조 4,505억 원)에 이를 것으로 예상됩니다. 이에 따라 글로벌 HBM 시장의 양대산맥인 삼성전자와 SK하이닉스 간의 경쟁도 더욱 치열해질 전망입니다. 

 

SK하이닉스는 21일 HBM3E 개발에 성공해 속도는 물론, 발열 제어, 고객 사용 편의성 등 세계 최고 수준을 충족시켰습니다. 이에 맞서 삼성전자도 시장확보를 위해 북미를 공략하고 있습니다. 북미 GPU 업체로부터 HBM3와 패키징의 최종 품질 승인을 동시에 완료했습니다. 이는 엔비디아 , AMD 등 글로벌 GPU 기업들이 포진한 북미 시장에서 시장 주도권을 가져오겠다는 전략으로 풀이됩니다. 

 

역시 반도체 산업은 어려운 것 같습니다. 그래도 이렇게 산업 전반에 대해 글을 쓰고 나면 약간은 이해되는 것 같고, 저같은 초보자분들도 이해가 쉽지 않을까 해서 풀어보았습니다. 로봇산업에 대해 관심 있으신 분들은 아래 글도 클릭해 보세요. 

 

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