🇰🇷 우리나라의 HBM 관련주 총정리

오픈AI, 메타, 네이버까지 생성형 인공지능 열풍은 여전히 뜨겁습니다. 다량의 병렬연산을 처리하는 GPU는 자연어처리(NLP)를 포함한 AI 모델의 핵심입니다. 엔비디아, AMD 등 외국 기업이 즐비한 GPU 산업에 의외로 한국이 커다란 영향력을 발휘하는데요. 고대역폭 메모리(High Bandwidth Memory, HBM)가 그 주인공입니다.

HBM이란?

메모리를 데이터 창고라 한다면, 연산 장치(CPU와 GPU)는 계산 공장입니다. 공장과 창고가 물류를 원활히 주고받을수록 일 처리가 빨라지듯, 메모리 성능과 연산 장치의 계산 속도는 비례 관계입니다. 그간 D램 자체 성능을 개선하는 속도는 한계가 있었는데요. HBM은 기존 D램 메모리를 여러 개 쌓는 방식으로 문제를 해결했습니다. 덕분에 용량 증가는 물론, 같은 면적에서 4배 이상의 대역폭을 사용합니다. 대역폭은 데이터를 전송하는 길인데요. 데이터가 다니는 고속도로를 수직으로 증설한 것과 마찬가지입니다.  

🙌 HBM의 등장: 고대역폭 메모리는 처음부터 그래픽 처리 장치(GPU)를 위해 탄생했습니다. 그래픽 처리는 모니터에 띄우는 픽셀값을 계산해야 하기에 매우 높은 대역폭과 연산능력을 요구합니다. D램 생산 기업들은 인공지능 등장 이전부터 GDDR(Graphics Double Data Rate)라는 이름으로 GPU를 위한 메모리를 공급했는데요. AI모델 활성화와 함께 막대한 메모리 용량이 필요해지며 HBM의 필요성이 본격적으로 대두됐습니다.

👏 쌓을수록 효율 상승: 올해 2월 오픈AI가 선보인 GPT-3는 자료형 선택에 따라 320~640GB 정도의 GPU 메모리가 필요합니다. 이런 대용량 메모리를 GPU에 탑재하기 위해서는 집적도가 매우 높아야 하는데요. D램 칩 자체 밀도를 늘리는 것은 한계가 있었기에, 이를 최대한 여러 겹 쌓는 HBM의 수요가 급증했습니다. 예시로 HBM을 사용하는 엔비디아 A100과 GDDR을 쓰는 엔비디아 A6000을 비교하면, 그래픽 카드의 물리적 크기가 같지만 A100이 메모리 용량(40~80GB), 대역폭(1,900GB/s) 모두 두 배가량 뛰어납니다. GPU 메모리 용량 부족이 해결되면 여러 카드를 묶는 빈도도 줄면서 안정적인 추론 속도를 유지합니다. 

🏬 고층빌딩의 엘리베이터, TSV: 아무리 튼튼하고 멋있게 지어진 고층빌딩이라도, 고속 엘리베이터가 없다면 많은 사람을 수용할 수 없겠죠? 메모리 고층빌딩인 HBM의 엘리베이터를 담당하는 것이 패키징 기술, 그중에서 TSV입니다. TSV는 실리콘 관통 전극의 약자로, 실리콘 내에 전도성 재료로 채운 전극을 의미합니다. 기존에 와이어로 연결하던 칩을 구멍을 뚫어 수직으로 연결하기 때문에 성능과 크기에서 여러 장점이 있습니다. 전기 신호 전달 경로가 짧아 오류가 나지도 않고, 훨씬 많은 전극을 칩 간에 연결할 수 있습니다. 핀 개수도 늘리기 용이해 더 많은 정보를 보낼 수 있습니다. 보통 핀 하나당 1bit(X1)의 정보를 보낸다고 표현하는데요. TSV를 활용한 적층에는 이런 한계가 없으므로 HBM의 경우 1,024bit(X1024)를 구현했습니다. 

HBM 산업 현황 및 전망

상당한 역사를 거쳐 탄생한 HBM이지만 현재 산업 규모는 크지 않습니다. 대량 생산이 아닌 주문 제작 방식인 데다, 그래픽 처리를 넘어선 연산 메모리의 필요성이 뚜렷하지 않았기 때문입니다. 그러나 인공지능 시대가 도래하며 급격한 성장곡선을 그리리라는 것은 누구나 예측할 수 있습니다. 일반 D램에 비해 수십 배에 달하는 마진은 덤이죠. 삼성전자를 포함한 국내 대기업은 이미 HBM 매출 규모를 점차 키워나가고 있습니다.

🌏 시장 상황과 성장세: 전 세계 HBM 시장 규모는 20억 달러로 추정되며, 2028년 170억 달러에 이를 것으로 예측됩니다. 이는 연평균 40%의 높은 예상 성장률에 근거합니다. 엔비디아와 AMD 등 GPU 기업은 물론 구글, 마이크로소프트(MS), AWS 등 클라우드 기업도 AI 서버 때문에 점차 고성능 메모리를 필요로 하기 때문입니다. 전통 메모리 반도체 강자답게 세계 HBM 시장의 50%를 SK하이닉스, 40%를 삼성전자가 차지합니다. 특히 SK하이닉스는 HBM 4세대 제품인 8단 적층 HBM3를 양산하고 있습니다. 삼성전자도 HBM 대두에 발맞춰 사업 확대에 속도를 내고 있는데요.

💸 SK하이닉스의 질주: 업계 1위 SK하이닉스는 일찍이 자사 D램 산업의 성장 동력을 HBM으로 점찍었습니다. GPU 시장의 압도적인 선두인 엔비디아와 협력 관계에 있으며, 올해 4월 세계 최초로 12단 적층 HBM(HBM3E) 개발에 성공했죠. 초당 819GB까지 데이터 전송이 가능해 원활한 AI 서비스를 지원합니다. 특히 많은 메모리를 실시간으로 사용하는 AI 서버에서 강점이 주목받는데요. 올해 엔비디아가 HBM3E 샘플을 다량 요청면서 신규 제품 개발도 함께한다는 관측이 나옵니다. 엔비디아의 최신 플래그십 GPU인 H100의 수요가 폭발적으로 늘면서 기술력도 함께 인정받았습니다. 

🏃‍ 삼성전자의 추격: D램 분야에선 1위인 삼성전자이지만, HBM 시장에선 후발주자입니다. 1세대 HBM은 생산하지 않았고 2세대 제품인 HBM2를 2016년부터 양산했습니다. 3세대인 HBM2E도 SK하이닉스의 양산 시점보다 1년 늦었습니다. 다만, AI산업의 수요 급증과 함께 신속하게 D램 내 HBM 매출 비중을 늘리고 있습니다. GPU 시장 2위 기업인 AMD와 협력하며 SK하이닉스와의 대결 구도를 구축했습니다. 최근 AMD가 거대언어모델(LLM)을 위해 MI300X를 출시하며 삼성전자의 HBM3를 탑재했는데요. 엔비디아의 GPU 가격이 천정부지로 솟고 있어 AMD의 가격 경쟁력이 주목받는 시기에 함께 수혜를 누릴 수 있을 전망입니다.

주목할 만한 기업

HBM의 전망이 워낙 밝다보니 관련 기업을 향한 관심도 높습니다. 메모리 반도체 시장을 안정적으로 장악한 국내 기업이지만 D램의 낮은 수익성은 항상 고민이었는데요. HBM은 AI 서버 비용의 절반 넘게 차지할 만큼 부가가치가 높습니다. 전문가가 입을 모아 말하는 높은 성장률도 매력적입니다. HBM 제조 공정과 밸류 체인에 관여하는 기업을 중심으로 정리해 보겠습니다. 

🛠 제조 공정 이해하기: HBM의 제조공정은 크게 TC-NCF와 MR-MUF 두 가지로 나뉩니다. 전자는 삼성전자와 SK하이닉스, 후자는 SK하이닉스만의 방식입니다. TC-NCF는 전공정이 끝난 웨이퍼에 열압착(Thermo Compression, TC)을 가해 NCF(에폭시)를 녹여 칩을 연결합니다. 열과 압력이 고르게 분산돼야만 안정적인 수율이 나오는데요. MR-MUF는 열압착을 직접 가하지 않고 통째로 커다란 오븐에 넣어 한 번에 붙입니다. 공간 사이를 녹은 에폭시 알갱이가 채우기에 고른 분산을 걱정하지 않아도 됩니다. 또한 반도체 마감 작업인 몰딩을 동시에 할 수 있어 효율이 높습니다. 일반적으로 MR-MUF를 조금 더 발전된 방식으로 평가합니다. 

🐤 한미반도체: TC-NCF 방식의 마무리를 담당하는 TC본딩 장비 공급사입니다. 핵심 공정을 담당하는 만큼 HBM 열풍의 가장 큰 수혜를 누릴 것으로 예측됩니다. 올해 2분기 매출액 491억 원, 영업이익 112억 원으로 전년 동기 대비 75%, 60% 감소했습니다. 전 분기 대비 본딩 장비 매출이 눈에 띄게 늘어(51억 원) 전체 납품 장비 중 가장 크게 증가했습니다. TSV TC 본딩 기술력이 뒷받침된 것으로 평가합니다. 향후 MSCI(Morgan Stanley Capital International) 지수 편입과 TC 본딩 장비의 수주 여부가 주가 향방에 중요하게 작용할 것으로 보입니다. 특히 해외 수출 경력이 있어 국내 대기업에 국한되지 않은 판로를 구축할 수 있습니다. 

🐦 프로텍: 반도체 패키징을 위한 레이저 본딩 장비를 판매합니다. 미국 OSAT 기업과의 독점 계약이 최근에 풀려 타 고객사 판로가 열렸습니다. HBM은 기판 하나하나의 두께가 얇기 때문에 열에 의한 휘어짐이나 납땜 불량이 발생하기 쉽습니다. 프로텍의 LAB(Laser Assisted Bonder)는 레이저로 적은부위에 정확히 열을 가해 위와 같은 문제를 해결한다고 평가받습니다. 2022년 기준 프로텍 전체 매출에서 LAB가 차지하는 비중은 5% 수준이었습니다. 판매 제한이 풀린 올해 매출 비중이 큰 폭으로 확대될 것으로 기대합니다. 올해 1분기 매출액과 영업이익은 각각 248억 원, 9억 원으로 전년 동기 대비 절반 가까이 하락했습니다. 

🐧 케이씨텍: 반도체 연마 장비를 판매하는 케이씨텍은 HBM의 웨이퍼 공정에 관여할 것으로 평가됩니다. 여러 층을 쌓아야 하는 HBM은 얇은 두께를 만들기 위해 연마 작업을 다수 거칩니다. 부산물 또한 세심하게 세척하는데요. 연마와 세정 장비 모두를 갖춘 케이씨텍은 위 부문에서 경쟁력을 가질 것으로 예상합니다. 본래 디스플레이 공정에 특화된 장비를 만들다 보니 삼성 디스플레이와 꾸준히 협력 관계에 있습니다. 올해 1분기 매출액 625억 원, 영업이익 447억 원으로 전년 동기 대비 각각 30.8%, 22.5% 감소했습니다.