SK하이닉스가 TSMC와의 협력을 점점 강화함에 따라 메모리 반도체 시장에서 리더십이 공고해질 것으로 전망된다. 출처=셔터스톡
SK하이닉스가 낸드플래시의 컨트롤러부터 HBM(고대역폭메모리)의 베이스다이까지 TSMC와의 협력을 한층 강화하고 있다. 향후 양사는 차세대 HBM 등 신기술을 개발에 더 긴밀하게 협력해 나갈 계획이며, 이를 통해 SK하이닉스는 AI(인공지능) 메모리 반도체에서의 리더십을 확고히 할 수 있을 것으로 기대된다.
TSMC (NYSE:TSM)가 SK하이닉스 (KS:000660) 컨트롤러 직접 생산
26일 반도체 업계에 따르면 SK하이닉스는 현재 자사 컨트롤러의 생산을 TSMC에 맡기고 있다. 이를 위해 TSMC 디자인하우스인 글로벌유니칩(GUC)와 협력 중이다. 디자인하우스는 반도체 팹리스와 파운드리 간 가교 역할을 하는 설계 지원 업쳬를 뜻한다.
컨트롤러는 낸드플래시 메모리를 활용한 각종 저장용 장치에 설치돼 두뇌 역할을 하는 시스템 반도체로 2010년대에 접어들면서 그 중요성이 부각된 반도체이다.
낸드가 책을 꽂아놓는 서재라면 컨트롤러는 어떤 책을 언제 어디에 넣고 끄집어낼지를 결정하는 사서 같은 역할을 담당한다. 또 에러·불량섹터를 막아줘 제품 수명을 연장해주고, 셀 간 간섭현상을 줄이는 신호처리 등도 맡는다.
낸드플래시 그 자체는 단순한 저장장치이기 때문에 업체 간 성능이 비슷하며, 그렇기에 낸드를 활용한 저장장치의 성능은 컨트롤러에 상당히 의존적일 수밖에 없다.
스마트폰 확산 이후 테블릿PC, 클라우드 서버 등에 컨트롤러를 탑재한 고부가가치 저장장치 수요가 급증하기 시작했고, 컨트롤러의 역할은 더욱 중요해졌다. 낸드플레시 시장에 있어서 컨트롤러의 기술력이 곧 경쟁력이 된 것이다.
SK하이닉스는 관련 기술 확보를 위해 2012년에 미국 LAMD를, 2013년에는 대만 이노스터의 eMMC 컨트롤러사업부를 인수했다. SK하이닉스는 2017년 마침내 삼성전자에 이어 두 번째로 낸드플래시 컨트롤러 하드웨어와 펌웨어 소프트웨어 모두를 100% 내재화했다.
다만 컨트롤러 생산은 TSMC가 맡고 있다. 컨트롤러는 시스템 반도체의 일종으로, 파운드리 생산시설을 필요로 하기 때문이다. SK는 SK키파운드리, SK하이닉스시스템IC 등 파운드리를 보유하고 있으나 컨트롤러 생산 여력이 안 되는 것으로 파악된다. 최근 컨트롤러가 5나노 기반으로 생산되는 등 점점 고도화됨에 따라 TSMC와 SK하이닉스의 협력관계는 더욱 깊어질 것으로 전망된다.
HBM 베이스다이 개발에 TSMC 동참
지난주 SK하이닉스는 TSMC와의 협력 관계를 한 차원 확장한다고 밝혔다. SK하이닉스는 TSMC와 기술 협력을 위한 양해각서(MOU)를 체결한 뒤, TSMC와 협업해 2026년 양산 예정인 HBM4를 개발할 계획이라고 말했다.
SK하이닉스는 “AI 메모리 글로벌 리더인 당사는 파운드리 1위 기업 TSMC와 힘을 합쳐 또 한 번의 HBM 기술 혁신을 이끌어 내겠다”며 “고객-파운드리-메모리로 이어지는 3자 간 기술 협업을 바탕으로 메모리 성능의 한계를 돌파할 것”이라고 강조했다.
양사는 우선 HBM 패키지 내 최하단에 탑재되는 ‘베이스 다이(Base Die)’의 성능 개선에 나선다. HBM은 베이스 다이 위에 D램 단품 칩인 ‘코어 다이(Core Die)’를 쌓아 올린 뒤 이를 TSV 기술로 수직 연결해 만들어진다. 베이스 다이는 GPU(그래픽처리장치)와 연결돼 HBM을 컨트롤하는 역할을 수행한다. TSV란 D램 칩에 수천 개의 미세한 구멍을 뚫어 상층과 하층 칩의 구멍을 수직으로 관통하는 전극으로 연결하는 상호연결 기술을 말한다.
SK하이닉스는 HBM3E까지는 자체 공정으로 베이스 다이를 만들었으나, HBM4부터는 TSMC의 ‘로직(Logic) 공정’을 활용할 계획이다. 생산은 SK하이닉스가 계속 맡는다. TSMC의 초미세 공정을 적용하면 향후 HBM에 다양한 기능을 추가할 수 있을 것으로 기대된다. SK하이닉스는 이를 통해 성능과 전력 효율 등 고객사의 폭넓은 요구에 부합하는 맞춤형 HBM을 생산한다는 계획이다.
이와 함께 양사는 SK하이닉스의 HBM과 TSMC의 CoWoS 기술 결합을 최적화하기 위해 협력하고, HBM 관련 고객 요청에 공동 대응하기로 했다. CoWoS는 TSMC가 특허권을 갖고 있는 고유의 공정으로 칩을 연결한 뒤 하나로 포장하는 패키징 기술의 일종이다. AI가속기를 만들기 위해선 로직칩과 메모리칩을 하나로 묶는 CoWoS 공정이 필수적이며, 이 공정에 사용되는 메모리칩이 SK하이닉스의 HBM인 만큼 협력을 통해 CoWoS 공정을 최적화하겠다는 설명이다.
공교롭게 美에서 만난 양사?
SK하이닉스와 TSMC의 협력은 미국에서도 이어질 것으로 보인다. SK하이닉스는 이달초 미국 인디애나주 웨스트라피엣에 AI 메모리용 어드밴스드 패키징 생산 기지를 건설한다고 밝혔다. 인디애나 공장은 2028년 하반기부터 차세대 HBM 등 AI 메모리 제품을 양산할 예정이다. 앞서 TSMC는 미국 애리조나주에 4나노 이하 첨단공정 생산시설을 건설 중인데, SK하이닉스가 미국에서 HBM을 생산하게 되면서 미국 내에서 AI가속기 완제품이 생산될 수 있게 됐다.
2024년 1분기 실적발표에서 인디애나 공장과 TSMC의 애리조나 공장과의 연계 가능성을 묻는 질문에 대해 SK하이닉스는 “AI 수요 성장으로 HBM 등 고성능 메모리 수요가 증가, 어드밴스드 패키지의 중요성이 커진 만큼 차세대 맞춤형 HBM 시장에서도 차별화된 경쟁력 확보를 위해 주요 고객은 물론 공급망 전반에서 협력을 강화할 것이다”라고 말했다. 향후 SK하이닉스는 미국 기지를 중심으로 패키지 부분에서 TSMC를 포함한 다양한 기업과 협업할 것으로 예상된다.
지난 19일 SK하이닉스-TSMC 간 기술 협력을 위한 MOU 체결 자리에서 SK하이닉스 김주선 사장은 “TSMC와의 협업을 통해 최고 성능의 HBM4를 개발하는 것은 물론, 글로벌 고객들과의 개방형 협업에도 속도를 낼 것”이라며 “앞으로 SK하이닉스는 고객 맞춤형 메모리 플랫폼 경쟁력을 높여 ‘토탈 AI 메모리 프로바이더(Provider)’의 위상을 확고히 하겠다”고 전했다.
이어 TSMC 케빈 장 수석부사장은 “TSMC와 SK하이닉스는 수년간 견고한 파트너십을 유지하며 최선단 로직 칩과 HBM을 결합한 세계 최고의 AI 솔루션을 시장에 공급해 왔다”며 “HBM4에서도 양사는 긴밀하게 협력해 고객의 AI 기반 혁신에 키(Key)가 될 최고의 통합 제품을 제공할 것”이라고 말했다.