[딜사이트 이세연 기자] 삼성전자가 내년 초 HBM4 양산을 앞두고 10나노급 6세대(1c) D램 장비 반입에 속도를 내고 있다. 이미 엔비디아와 HBM4 공급 계약을 끝낸 SK하이닉스를 따라잡기 위해 양산 체제 구축에 박차를 가하는 모습이다. 

이달 중 최종 검증용 커스터머(CS) 샘플의 내부 신뢰성 평가(PRA)를 마친 뒤 엔비디아에 출하할 계획이다. 일정대로라면 제품 출하는 내년 하반기부터 가능할 것으로 예상된다. 내년 상반기 물량은 SK하이닉스에 내줬지만, 반기 만에 추격해 공급망에 진입한다는 점만으로도 의미 있는 진전이라는 평가다.

반도체 업계 한 관계자는 "삼성전자는 최근 평택캠퍼스 2공장(P2)에 1c D램 장비 셋업을 모두 끝냈다"며 "3공장(P3)와 4공장(P4)에도 순차적으로 장비를 들여오며 설비 투자에 속도를 내고 있다"고 말했다.

당초 P2와 P3는 10나노급 3세대(1z) D램 등 레거시 공정에 집중해왔다. 하지만 삼성전자가 레거시 제품을 감산하고 선단 공정인 1c 캐파(생산능력)를 늘리면서, 리트로핏을 통해 일부 D램 라인 '전환 투자'에 나섰다. 리트로핏은 기존 시설을 개조하거나 성능을 개선하는 작업을 뜻한다. 삼성전자는 지난해부터 이를 추진해 올해 초부터 1c D램 장비 반입을 본격화했다.

HBM4 생산의 핵심 거점인 P4는 내년 가동을 앞두고 있다. 메인 팹인 PH1은 이미 가동 중이며, 낸드플래시와 1c D램 라인이 절반씩 배분돼 있는 형태다. 앞서 낸드 라인이 먼저 생산을 시작하고, 올 하반기부터는 1c 라인도 본격적으로 시동이 걸린 것으로 추정된다. PH3는 라인 구축을 마치고 지난 6월부터 장비 반입이 진행 중이다. 앞선 관계자는 "PH4는 최근 착공 단계에 들어갔고, PH2는 이르면 오는 12월이나 내년 1월 착공이 예상된다"고 덧붙였다.

이 같은 행보는 HBM4 최대 수요처인 엔비디아가 차세대 AI 가속기 '루빈'을 당장 내년 하반기 출시할 계획인 만큼, 이에 맞춰 양산 체제 구축을 서두르는 움직임으로 풀이된다. 앞서 SK하이닉스가 지난 9월 양산 체제를 완비했다고 발표한 점을 고려하면 더 이상 지체할 여지가 없어서다.

SK하이닉스는 이미 엔비디아와 내년도 HBM4 공급 계약을 마친 후 양산에 돌입했다. 오는 4분기 제품 출하를 시작해 내년 1분기부터 물량 확대에 나설 예정이다. 사실상 내년 엔비디아의 상반기 HBM4 물량은 SK하이닉스가 독점하는 구도다.

삼성전자는 내년 초 최종 인증 획득을 목표로 하고 있다. HBM 샘플은 WD(워킹다이)→ES(엔지니어링 샘플)→CS(커스터머 샘플) 등으로 구분되는데, 삼성전자는 현재 ES 샘플까지 출하를 마친 상태다. 이달 양산 직전 단계인 최종 검증용 CS 샘플을 마저 납품해, 엔비디아와 성능 테스트를 이어갈 계획이다.

회사 한 관계자는 "고객사에 CS 샘플을 보내기 전 내부 성능 테스트(PRA)를 거쳐야 하는데, 이달 중 테스트가 예정돼 있다"며 "CS 샘플 발송 후에는 고객사가 자사 그래픽처리장치(GPU)에 탑재해 최소 4개월은 테스트를 진행한다"고 말했다. 이어 "엔비디아로부터 내년 초 물량을 배정 받고 양산에 돌입한다고 가정하면, 제품 출하 시점은 내년 하반기가 될 것"이라고 말했다.

수율 확보는 여전히 해결할 과제로 남았다. 내부에서는 "노력에 비해 성과가 더디다"는 평가가 나온다는 후문이다. 특히 HBM4는 전작인 HBM3E보다 다이(Die) 크기가 커 수율을 빠르게 높이기 쉽지 않다. 동일 웨이퍼에 생산되는 양품 수가 적어 생산 효율이 낮기 때문이다. 삼성전자가 지난 7월 HBM4 개발을 완료한 점을 고려하면, 시간이 걸리는 게 자연스럽다고 볼 수 있다.

반도체 업계 다른 관계자는 "현재 삼성전자의 1c D램 샘플 수율은 DDR5 기준 70%를 넘겼고, HBM4 기준으로는 50%까지 올라왔다"고 말했다. 이 수치는 삼성전자가 R&D 팹에서 소량의 웨이퍼를 투입해 진행한 샘플 테스트 결과다. 공정 후반부로 갈수록 수율이 떨어지는 점까지 감안하면, HBM4에서 웨이퍼 기준 최소 70%는 확보해야 양산 체제로 전환할 수 있다. 삼성전자는 이전 세대인 HBM3E 12단 기준으로도 해당 단계 수율이 70%대에 머물고 있는 것으로 파악된다.

물론 삼성전자는 당장의 수율 부진에 따른 손익보다 물량 확대에 방점을 두고 있지만, 지나치게 낮은 수율은 고객사 신뢰 확보에도 부담이 된다. 앞선 관계자는 "양산 수율이 지나치게 낮으면 품질에 대한 우려도 커져 고객사가 제품을 맡기기 어렵다"며 "단순히 일부 칩이 살아남았다고 모아 쓰는 개념이 아니다"고 말했다.

한편 삼성전자는 최근 후공정에도 힘을 쏟으며 전반적인 공정 안정화에 나선 모습이다. 한미반도체와 HBM4 TC본더 관련 기술 논의를 진행하는 등 여러 협력 가능성을 열어둔 모습이다. 앞선 관계자는 "삼성전자는 그동안 후공정을 다소 평가절하하고 쉽게 보는 경향이 있었다"며 "최근에는 이 부분에도 많은 신경을 쓰고 있다"고 말했다.