[단독] “SK하이닉스, TSMC 손잡은 이유 있었다”... HBM4 소비전력 20%↓

SK하이닉스가 TSMC와의 협력을 점점 강화하고 있다. 출처=셔터스톡

SK하이닉스 (KS:000660)가 TSMC의 ‘로직 공정’을 사용해 6세대 HBM(고대역폭메모리)의 전력효율성을 크게 높였다고 공개했다. 양사가 HBM을 기점으로 시장의 전반적인 틀을 '재구성'하는 작업에 돌입한 가운데, 전력효율성 측면에서 구체적인 수치가 나온 것은 이번이 처음이다.

17일 SK하이닉스가 ‘IMW(국제메모리워크숍) 2024’에 제출한에 따르면 TSMC의 로직 공정을 활용해 HBM4의 소비전력을 HBM3E 대비 약 20% 감소시켰다고 밝혔다. 

SK하이닉스는 “로직 기반 다이는 대역폭을 향상시킬 뿐만 아니라 전력 소비를 줄인다. 전통적인 HBM 베이스 다이는 총 전력의 약 40%를 소비한다”며 “로직 공정을 사용하면 공급 전압을 1.1V(볼트)에서 0.8V 이하로 줄일 수 있어 전력 소비를 50% 절감할 수 있다”라고 말했다. 

김귀욱 SK하이닉스 (KS:000660) HBM첨단 기술팀장은 13일 IMW 2024에서 차세대 HBM 개발 방향을 공유하며 “HBM4의 경우 전력 효율은 30% 개선될 것”이라고 말한 바 있다. 그리고 언급된 TSMC의 로직 공정이 여기에 상당 부분 기여하는 것으로도 확인됐다.

SK하이닉스 관계자도 "당시 거론된 로직 공정의 기여는 TSMC와의 협력이 맞다"고 재확인해줬다.

HBM은 베이스 다이 위에 D램 단품 칩인 코어 다이를 쌓아 올린 뒤 이를 수직 연결해 만든다. 베이스 HBM을 컨트롤하는 역할을 수행한다. 

SK하이닉스는 이를 통해 발열 문제도 상당 부분 해소된다고 설명했다. SK하이닉스는 “전력 소비 문제는 발열 문제도 해결한다. 소비전력이 20% 감소하면, 열 발생도 20% 감소한다”고 덧붙였다. HBM은 엄청난 소비전력탓에 발열이 심하게 발생하고, 이 발열로 인해 전체 AI가속기의 성능이 떨어짐에 따라 HBM의 발열 해결은 전체 AI가속기의 성능을 향상시키는데 중요한 역할을 한다. 

세대별 HBM 상세 스펙. 출처=SK하이닉스 ‘현재 그리고 미래, HBM의 도전(Present and Future, Challenges of High Bandwith Memory)’.

현재 반도체 업계에서 AI가속기의 전력효율성은 중요한 화두 중에 하나이다. AI 서버의 소비 전력이 천문학적임에 따라 운영비용이 기하급수적으로 늘어나고 있기 때문이다. 국제에너지기구(IEA)는 전세계 데이터센터의 에너지 소비량이 2022년 460테라와트시(TWh)에서 2026년 일본 전체 에너지 소비량인 1000테라와트시까지 증가할 것으로 내다봤다. 

SK하이닉스는 앞서 지난달 TSMC와 손잡고 HBM4를 개발해 2026년 양산할 계획을 밝혔다. HBM이 주로 쓰이는 AI칩 성능이 점점 고도화되면서, 전력 소모를 줄이고 데이터 병목현상을 줄이는 것이 최대 과제가 됐다. 한정된 공간 안에 D램을 더 높이, 촘촘하게 쌓는 것이 중요해진 것이다. 이를 위해 SK하이닉스가 첨단 패키징 분야 1위인 TSMC와 아예 HBM 개발까지 함께 한다는 것이다.

이를 위해 우선 SK하이닉스는 TSMC의 로직 공정을 베이스 다이에 활용하기로 했다. SK하이닉스는 5세대인 HBM3E까지는 자체 공정으로 베이스 다이를 만들었으나, HBM4부터는 로직 선단 공정을 활용할 계획이다. 이 다이를 생산하는 데 초미세 공정을 적용하면 다양한 기능을 추가할 수 있기 때문이다.

SK하이닉스 김주선 사장은 “TSMC와의 협업을 통해 최고 성능의 HBM4를 개발하는 것은 물론, 글로벌 고객들과의 개방형 협업에도 속도를 낼 것”이라며 “앞으로 당사는 고객맞춤형 메모리 플랫폼 경쟁력을 높여 ‘토털 AI 메모리 프로바이더’의 위상을 확고히 하겠다”고 말했다.