“20~30% 수율에 양산 강행” 中 CXMT의 HBM3E 도전, 삼성전자식 수율 개선은 어려워

中 CXMT, 낮은 수율·높은 생산비에도 HBM3E 양산 추진
수율 위기 극복한 삼성전자, 제조 생태계 경쟁력이 무기
中 장비·공급망 한계 여전, EU도 유사 문제로 '골머리' 

중국 최대 D램 업체 창신메모리테크놀로지(CXMT)가 5세대 고대역폭메모리(HBM)인 HBM3E 생산에 나선다. 미국의 수출 통제로 중국 인공지능(AI) 반도체 기업들의 첨단 메모리 확보가 어려워지자, 20~30% 수준의 낮은 수율과 높은 생산비를 감수하며 자체 공급망 구축에 나서는 모습이다. 다만 시장에서는 D램 자체 성능뿐만 아니라 적층·접합 장비, 첨단 패키징, 검사·검증 기술 등 생태계 기반이 갖춰져야 하는 HBM 특성상, 중국이 단기간에 수율을 끌어올리기는 쉽지 않을 것이라는 평가가 나온다.

CXMT의 HBM3E 생산 도전

28일(현지시각) 로이터통신은 CXMT가 HBM3E 샘플을 중국 AI 반도체 설계 업체 여러 곳에 보냈으며, 향후 두 달 안에 제한적인 생산에 들어갈 예정이라고 보도했다. 표준 설계 제품, 수율 개선을 위해 일부 설계를 변경한 개량형 등 두 종류의 HBM3E를 고객사에 전달했다는 전언이다. 2024년부터 HBM 기술을 자체적으로 개발해 온 CXMT가 본격적인 공급 준비에 나선 것이다. 다만 로이터가 인용한 소식통들에 따르면, 현재 CXMT의 HBM3E 수율은 20~30% 수준에 그친다고 알려졌다.

해당 제품의 성능은 SK하이닉스의 HBM3E보다 이전 세대인 HBM3에 가깝다고 전해지며, 낮은 수율로 생산 단가도 높아 해외 경쟁사의 동급 제품보다 가격이 비쌀 것이라는 관측도 나온다. 그럼에도 CXMT가 양산을 서두르는 배경에는 중국 내 첨단 메모리 공급난이 있다. 중국 기업들은 미국이 일부 HBM 제품에 대한 대중국 수출 통제를 강화한 뒤 비공식 경로로 제품을 확보하며 기존보다 수 배 높은 가격을 지불 중이다. 화웨이, 캠브리콘 등 중국 반도체 업체들은 메모리 조달비 상승을 이유로 지난달 AI 반도체 가격을 20~50% 인상하기도 했다.

삼성전자, HBM 관련 잡음 겪어

시장에서는 이러한 CXMT의 상황이 과거 삼성전자가 겪었던 HBM 수율 문제를 연상케 한다는 평가가 나온다. 삼성전자는 지난 2024년 HBM 생산 과정에서 수율 확보와 품질 검증에 어려움을 겪은 바 있다. 당시 삼성전자의 HBM3 수율은 10~20% 수준으로, 경쟁사 SK하이닉스의 60~70%를 크게 밑도는 것으로 추정됐다. 생산 효율 저하의 주요 원인으로는 삼성전자가 채택한 비전도성접착필름(NCF) 방식의 공정상 한계가 꼽혔다. NCF는 여러 개의 D램을 수직으로 쌓을 때 칩 사이에 절연 필름을 삽입하고 열과 압력을 가해 접합하는 기술로, 적층 수가 늘어날수록 필름의 두께와 접합 상태 관리 난도가 높아진다는 특징이 있다.

차세대 제품인 HBM3E의 품질 검증 과정에서도 유사한 논란이 불거졌다. 로이터는 2024년 5월 복수의 소식통을 인용해 삼성전자의 HBM3와 HBM3E가 발열 및 전력 소비 문제로 엔비디아의 품질 테스트를 통과하지 못하고 있다고 보도했다. 특히 같은 해 4월 진행된 HBM3E 8단·12단 제품 시험에서 부정적인 결과가 나왔다는 전언이었다. 당시 삼성전자는 관련 보도가 사실이 아니라고 반박했으나, 이후 같은 해 10월 3분기 잠정 실적 발표 자리에서 주요 고객사 대상 HBM3E 사업화가 예상보다 더 지연됐다고 시인했다. 메모리 업황 개선 흐름 속 고부가가치 제품 공급 확대에 속도를 내지 못하면서, SK하이닉스에 HBM 시장 주도권을 내준 것이다.

표1. 삼성전자 HBM 개발·사업화 과정

생태계 역량으로 위기 극복

상황이 뒤집힌 것은 차세대 제품인 HBM4 개발 과정에서다. 삼성전자는 기존 D램 제조 기술뿐 아니라 파운드리·첨단 패키징 역량을 결합해 제품 설계와 생산 공정을 전반적으로 개선하는 데 주력했다. 대표적인 변화는 HBM을 구성하는 D램과 베이스 다이(Base Die·적층된 메모리 칩의 전력·신호를 제어하는 하단 칩)에 각각 최첨단 공정을 적용한 것이다. HBM4에는 10나노급 6세대(1c) D램이 선제적으로 도입됐으며, 베이스 다이에는 자체 파운드리의 4나노 공정이 활용됐다. 여기에 삼성전자는 메모리사업부와 파운드리사업부가 설계 단계부터 협력하는 설계·공정 동시 최적화(DTCO) 방식으로 두 반도체의 작동 특성을 조율하고, 제조 공정과 제품 설계 사이의 불일치를 최소화하는 데 힘썼다.

이 같은 기술 개선은 실제 제품 성능 향상과 양산 안정성으로 이어졌다. 삼성전자는 올해 2월 HBM4 양산 출하를 발표하면서 추가적인 설계 변경 없이 생산 초기부터 안정적인 수율을 확보했다고 밝혔다. HBM4의 핀당 데이터 처리 속도는 11.7초당 기가비트(Gbps)로 국제반도체표준협의기구(JEDEC)가 정한 표준인 8Gbps를 약 46% 웃돌았으며, 최대 13Gbps까지 구현이 가능한 것으로 나타났다. 단일 제품의 메모리 대역폭도 전작 HBM3E보다 약 2.7배 높은 최대 3.3초당 테라바이트(TB/s)로 확대됐다.

약점 뚜렷한 中 반도체 생태계

삼성전자가 위기 극복을 위해 반도체 제조 생태계를 적극 이용한 것은 HBM 제조 공정의 특성 때문이다. HBM은 개별 D램의 성능이 우수하더라도 적층·접합 과정에서 정렬 오차나 불량이 발생하면 완제품 수율이 떨어질 수 있다. 또한 칩 사이의 열전달과 전력 공급, 신호 안정성까지 관리해야 해 제조 장비와 소재, 설계·검증 기술 간의 긴밀한 연계가 필수적이다. 삼성전자는 기존 D램 생산시설과 관련 부품·설비 공급망 활용이 가능했으며, 자체 파운드리에서 베이스 다이를 생산하고 첨단 패키징 공정까지 연결할 수 있는 사업 구조를 갖추고 있었다. 여기에 글로벌 주요 AI 반도체 기업들과의 협력을 통해 고객사의 성능 요구 사항을 제품 개발 단계부터 반영하기도 용이했다.

반면 CXMT는 기존 D램 생산 능력을 빠르게 확대했음에도 불구하고, HBM 제조에 필수적인 장비와 기술 측면에서는 역량이 부족하다는 평가를 받는다. 중국 반도체 장비 업체 나우라 테크놀로지, 맥스웰, U-프리시즌 등이 미국의 수출 통제에 대응해 HBM 생산에 필요한 설비를 자체 개발하고 있지만, 양산 경험 부족과 검사·시험 역량의 한계로 제조 공정 안정화가 지연되는 모습이다. 이와 관련해 한 시장 전문가는 "CXMT가 현재 20~30%에 그치는 수율을 개선하기 위해서는 HBM3E 설계를 고도화하는 동시에 장비의 정밀도와 공정 안정성, 검사·검증 역량을 함께 끌어올려야 한다"며 "이를 위해서는 소재·설비 공급 업체들과의 협력 확대와 지속적인 양산 경험 축적을 통해 제조 생태계 전반의 기술적 완성도를 높일 필요가 있다"고 짚었다.

EU도 구조적 한계 부딪혀

이러한 어려움에 직면한 것은 비단 중국뿐만이 아니다. 유럽연합(EU) 역시 반도체 제조 생태계의 구조적 한계로 산업 경쟁력 확보에 난항을 겪고 있다. EU는 앞서 지난 2023년 유럽 반도체법(European Chips Act)을 제정하고 공공·민간 투자 등을 통해 430억 유로(약 64조3,660억원) 이상을 동원해 2030년까지 세계 반도체 시장 점유율을 20%로 끌어올리겠다는 목표를 세웠다. 그러나 지난해 4월 유럽회계감사원(ECA)은 EU의 세계 반도체 밸류체인 점유율이 2022년 9.8%에서 2030년 11.7%로 높아지는 데 그칠 것이라는 전망을 제시하며 목표 달성이 사실상 어렵다고 진단했다.

EU 반도체 산업의 주요 성장 제약 요인으로는 생태계의 불균형이 지목된다. 유럽에는 세계 최대 노광장비 기업 ASML, 반도체 연구 기관 아이멕(imec), 인피니언·ST마이크로일렉트로닉스 등 주요 기업이 자리하고 있지만, 최첨단 반도체 양산과 후공정·첨단 패키징 분야에서는 여전히 아시아 업체에 대한 의존도가 높다. 여기에 전문 인력 부족과 노동 시장 구조도 걸림돌로 꼽힌다. 반도체 공장은 설비 가동률을 유지하기 위해 24시간 교대근무 체제로 운영되는 것이 일반적이며, 공정 이상이 발생할 경우 숙련된 엔지니어와 유지보수 인력의 신속한 대응이 요구된다. 그러나 유럽에서는 관련 기술 인력의 공급이 수요를 따라가지 못하는 데다, 교대근무 체계와 현지 노동 관행을 조율해야 하는 부담도 존재한다. 실제 스웨덴 안보개발정책연구소(ISDP)는 지난해 4월 대만 TSMC의 독일 진출을 제약하는 요인으로 높은 생산비, 노동 갈등 가능성, 현지 지원 업체 부족 등을 지목하기도 했다.