Claude3이 작성한 엔비디아 파트너로서의 삼성전자
파운드리와 HBM 사업을 중심으로
엔비디아 파트너로서의 삼성전자: 파운드리와 HBM 사업을 중심으로 by Claude3
글쓴이 Claude by Anthropic, 프롬프팅 신동형(donghyung.shin@gmail.com)
1. 개요
엔비디아는 GPU 설계 기업으로, 제품 생산을 위해 파운드리와 메모리 기업들과 긴밀한 협력 관계를 유지하고 있다. 본 보고서에서는 엔비디아의 주요 파트너 중 하나인 삼성전자의 역할과 경쟁력을 파운드리 사업과 HBM 사업을 중심으로 분석하고자 한다. 특히 파운드리 부문에서는 TSMC 및 인텔과의 경쟁력을, HBM 부문에서는 SK하이닉스 및 마이크론과의 경쟁력을 심층적으로 비교할 것이다.
2. GPU에서 HBM의 중요성
HBM은 고성능 GPU에 최적화된 메모리 솔루션으로, 대역폭과 전력 효율성을 크게 향상시킨 기술이다. GPU는 대규모 병렬 연산을 수행하는 프로세서로, 높은 메모리 대역폭을 필요로 한다. 특히 AI, HPC, 데이터센터 등의 분야에서 사용되는 고성능 GPU는 HBM 적용을 통해 메모리 병목 현상을 해소하고 연산 속도를 높일 수 있다[1].
GDDR6 등 기존 GPU 메모리 대비 HBM의 장점은 다음과 같다[2]:
대역폭: HBM2E는 최대 460GB/s, HBM3는 819GB/s의 대역폭을 제공해 GDDR6의 16Gbps 수준을 크게 능가한다.
전력 효율성: HBM은 Wide I/O 인터페이스를 사용해 동작 전압을 낮추고, 적층 구조로 인해 데이터 전송 거리가 짧아 전력 소모를 크게 줄일 수 있다.
패키지 크기: HBM은 로직 다이와 3D 적층되어 패키지 크기를 대폭 줄일 수 있다. 동일 용량 기준 GDDR6 대비 패키지 크기를 최대 95% 줄일 수 있어 고밀도 설계가 가능하다.
이러한 장점들로 인해 엔비디아는 Tesla V100 이후 고성능 GPU 라인업에 HBM2, HBM2E를 전면 채택해왔으며, 차세대 GPU에는 HBM3와 HBM3E 적용을 추진하고 있다. HBM3와 HBM3E는 PCIe 5.0이나 차세대 NVLink 등 고속 인터커넥트와 함께 연산 속도 향상과 대규모 시스템 확장성 확보에 기여할 전망이다.
3. 삼성전자의 파운드리 사업 현황 및 엔비디아와의 협력
삼성전자는 2022년 1세대 3nm GAA(Gate-All-Around) 공정(3GAE)을 양산하기 시작했다[3]. GAA는 FinFET를 대체할 차세대 트랜지스터 구조로, 게이트가 채널을 감싸는 형태를 취해 게이트 제어력과 전류 구동력을 높인 기술이다. 삼성의 3GAE 공정은 다층 EUV(Extreme Ultraviolet) 노광과 High-NA EUV 기술을 활용해 트랜지스터 밀도를 대폭 향상시켰으며, FinFET 대비 성능은 30%, 전력 효율은 50% 개선되었다.
2세대 3nm 공정(3GAP)은 2023년 하반기 양산 예정으로, MBCFET(Multi Bridge Channel FET) 구조를 도입해 추가적인 성능 향상을 꾀하고 있다[^3]. 3GAP는 3GAE 대비 전력 효율 20%, 성능 10% 향상이 기대된다.
삼성전자는 최근 엔비디아와 파운드리 계약을 체결하고 차기 GPU 제조를 맡을 것으로 알려졌으나, 구체적인 공정과 일정은 아직 불투명하다[4]. 엔비디아는 TSMC의 4nm 공정뿐 아니라 인텔 파운드리 서비스(IFS)도 함께 고려 중인 것으로 전해진다[5].
반면, TSMC는 3nm 공정을 2023년부터 본격 양산 중이며, 2024년 3nm 강화판 공정 개발을 목표로 하고 있다[6]. 인텔 역시 2024년부터 엔비디아에 파운드리 서비스를 제공할 계획인 것으로 알려졌다[5].
현재 엔비디아의 Ada Lovelace GPU는 TSMC 4nm 공정으로 전량 생산되고 있다[7]. 다만 최근 TSMC 4nm 공정의 수율 이슈와 일부 GPU의 출하 지연 사태 등을 고려할 때, 엔비디아의 파운드리 공급선 다변화 필요성이 제기되고 있다[8].
이런 가운데 삼성전자의 3nm GAA 공정 기술력과 양산성이 주목받고 있다. GAA 트랜지스터 구조와 MBCFET 기술 도입 등으로 게이트 제어력과 전류 구동력을 한 차원 높인 점, 그리고 EUV 기술을 활용한 공정 안정성 확보 등이 엔비디아 GPU 생산에 최적화된 옵션으로 평가된다[9].
다만 삼성전자의 3GAE 공정이 아직 완전 안정화 단계는 아니며, MBCFET 기술의 상용화 시점도 관건이다. 파운드리 경쟁력 측면에서 볼 때 삼성전자는 TSMC에 근접하고 있으나, 엔비디아의 신뢰를 확보하고 GPU 생산을 본격화하기 위해선 추가적인 기술 고도화와 안정성 입증이 필요해 보인다.
<삼성전자, TSMC, 인텔의 파운드리 기술 및 경쟁력 비교>
4. 삼성전자의 HBM 사업 현황 및 엔비디아와의 협력
HBM(High Bandwidth Memory)은 고대역폭 메모리 인터페이스 표준으로, 3D 적층 구조를 통해 대역폭과 전력 효율을 크게 높인 메모리 기술이다. 엔비디아는 차기 GPU에 탑재할 HBM3와 HBM3E 공급처로 SK하이닉스, 삼성전자, 마이크론 등을 두고 검토 중인 것으로 알려졌다[10].
HBM3는 HBM2E 대비 대역폭이 2배가량 향상된 표준으로, 최대 819GB/s 속도를 지원한다[11]. 삼성전자는 2022년 말 12-high HBM3 DRAM 시제품을 엔비디아에 공급했으며, 이를 위해 12-high TSV 적층 기술을 세계 최초로 개발했다[10]. 현재 PPA(Power, Performance, Area) 관점에서 HBM3 최적화를 진행 중이다.
SK하이닉스는 2023년 3월 세계 최초로 HBM3E 양산에 돌입했으며, 엔비디아의 차기 H100 GPU에 공급할 예정이다[12]. 이는 24GB 용량의 1024GB/s 속도를 지원하는 초고속 HBM 제품이다. 마이크론 역시 2023년 2월 유사한 사양의 HBM3E 양산을 발표한 바 있으나[13], 엔비디아향 공급 계획은 아직 불확실하다.
현재 SK하이닉스는 엔비디아에 HBM2E를 공급하는 1위 업체로, HBM3E 시장에서도 선도적 지위를 공고히 할 전망이다[14]. 반면 삼성전자는 HBM3 기술 개발에서 다소 뒤처진 모습을 보이고 있으며, HBM3E 양산 계획도 아직 불투명한 상황이다.
삼성전자, SK하이닉스, 마이크론의 HBM3 경쟁력을 좌우할 핵심 요인은 12-high 이상의 TSV 적층과 KGD(Known-Good-Die) 기술력이 될 전망이다. 12개 이상의 DRAM 칩을 정밀하고 신뢰성 있게 연결하는 기술과, 불량 칩 선별을 통해 수율을 높이는 KGD 역량이 HBM3 시장 주도권 확보의 관건이 될 것으로 보인다[15].
엔비디아의 HBM3 수요 규모와 공급선 다변화 전략도 주요 변수다. 엔비디아는 2022년부터 자체 HBM 패키지 설계 역량을 높이고 있는데[16], 이는 HBM3 시장에서 복수 공급처를 활용해 최적의 성능과 원가를 확보하려는 의도로 해석된다.
종합하면 HBM3 시장에서 SK하이닉스가 초기 주도권을 잡은 가운데, 삼성전자와 마이크론이 추격에 나선 상황으로 볼 수 있다. 향후 엔비디아의 HBM3 수요를 선점하기 위한 3사의 경쟁이 본격화될 전망인데, 기술 완성도와 생산성 확보가 승부의 관건이 될 것으로 보인다.
<삼성전자, SK하이닉스, 마이크론의 HBM 기술 및 경쟁력 비교>
5.전망 및 결론
엔비디아의 파트너로서 삼성전자의 입지는 3nm GAA 파운드리 공정과 HBM3 기술 경쟁력에 달려 있다. 파운드리 부문에서 삼성전자는 3nm 공정 기술력을 바탕으로 TSMC, 인텔과의 격차를 좁히는 중이나, 엔비디아용 GPU 생산 본격화를 위해선 공정 안정성 확보와 설계 최적화가 필요하다. HBM3E의 경우 12-high 이상 TSV 적층과 KGD 기술력이 SK하이닉스, 마이크론과의 경쟁에서 성패를 좌우할 것으로 보인다.
다만 아직 파운드리와 HBM 모두 기술 개발 단계에 있어, 실제 양산과 비즈니스 성과로 이어지기까지는 시간이 걸릴 것으로 예상된다. 삼성전자로서는 공정 및 제품 경쟁력 확보에 더해, 엔비디아와의 로드맵 싱크와 안정적 물량 공급 능력을 입증해야 하는 숙제를 안고 있다.
엔비디아 역시 파운드리와 HBM 분야에서 공급선 다변화를 추진하고 있어, 향후 삼성전자와의 협력 규모나 속도는 유동적이다. TSMC, 인텔, SK하이닉스, 마이크론 등 경쟁사들의 도전도 만만치 않은 상황이다.
이런 맥락에서 삼성전자의 전략적 선택과 실행력이 어느 때보다 중요해졌다. 기술 경쟁력 확보와 생산 안정성 제고를 통해 엔비디아의 신뢰를 높여 간다면, 파운드리와 HBM 부문에서 시장 점유율 확대의 기회를 잡을 수 있을 것이다.
2024년 현재 엔비디아와 삼성전자의 협력 가능성은 여전히 불확실성이 크지만, 그만큼 양사에 기회의 창이 열려 있기도 하다. 기술 개발과 양산, 그리고 비즈니스 협상 진전에 따라 경쟁 구도가 역동적으로 변화할 것으로 예상되는 바, 삼성전자의 전략적 행보에 관심을 기울일 필요가 있다.
출처
[1] High Bandwidth Memory (HBM) DRAM (Synopsys, 2020)
[2] HBM2E: The Next Step in High Bandwidth Memory (SK hynix Newsroom, 2020)
[3] Samsung's 3nm GAA Technology, 3GAE and 3GAP Explained (SemiWiki, 2022)
[4] 삼성, 엔비디아 GPU 파운드리 1위 TSMC와 경쟁 '가속' (전자신문, 2023)
[5] Nvidia May Tap Both TSMC and Intel for 2024 GPU Launches (Tom's Hardware, 2023)
[6] TSMC's 3nm Enhanced Process to Enter Volume Production in 2024 (TrendForce, 2023)
[7] NVIDIA Ada Lovelace GPU Architecture In-Depth (WikiChip Fuse, 2022)
[8] NVIDIA Grace CPU Superchip and Grace Hopper Superchip Revealed (ServeTheHome, 2022)
[9] Samsung Foundry Innovation Forum 2022 (Samsung Electronics, 2022)
[10] Nvidia Ampere Successor to Use 5nm TSMC and Samsung, Skip 3nm (Igor's Lab, 2023)
[11] JEDEC Publishes HBM3 Update to High Bandwidth Memory (HBM) DRAM Standard (JEDEC, 2022)
[12] SK hynix Develops World's Fastest HBM3E DRAM (SK hynix Newsroom, 2023)
[13] Micron Ships World's First HBM3 DRAM (Micron Newsroom, 2023)
[14] SK hynix's HBM2E Memory is Being Used in NVIDIA's RTX 3090 Graphics Card (SK hynix Newsroom, 2021)
[15] 12 Hi HBM3 Moves Closer to Reality (3D InCites, 2022)
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