이 기사는 2025년 04월 17일 14시00분 thebell에 표출된 기사입니다

SK하이닉스가 xPU(CPU, GPU, NPU 등) 위에 고대역폭메모리(HBM)를 쌓는 3D HBM을 개발 중이다. 로직 다이를 없애고 코어 다이를 다이렉트로 적층하는 형태의 제품이다. 이르면 HBM5부터 상용화될 것으로 전망된다.

이에 따라 TSMC와의 밀월은 더욱 깊어질 것으로 예상된다. xPU에 HBM 코어 다이를 직접 실장하는 만큼 제품 설계, 패키지 초기 단계부터 협력을 해야 한다.

◇AI 가속기·HPC 타깃, SiP 한계 극복 위해 개발

이강욱 SK하이닉스 부사장은 17일 서울 강남구 과학기술회관에서 열린 'AI를 가능하게 하는 반도체 기술 워크숍'에서 "프로세스 위에 HBM을 쌓는 3D HBM 컨셉의 연구를 진행 중"이라며 "고성능컴퓨팅(HPC), 인공지능(AI) 가속기 등 제품에 적용될 것"이라고 말했다.

3D HBM은 2.5D 시스템인패키지(SiP)의 한계를 극복하기 위해 연구되고 있는 기술이다. SK하이닉스는 HBM5부터 상용화될 것으로 내다봤다. xPU에 코어 다이를 직접 실장하는 형태로 2.5D 대비 SiP 사이즈 이슈에서 자유롭다는 이점이 있다. 또 HBM을 직접 실장하는 만큼 레이턴시와 전력 소모도 대폭 줄일 수 있을 것으로 예상된다.


이 부사장은 3D HBM에 대해 "현재 컨셉 단계"라며 "1-로직, 2-HBM 형태 등 컨셉의 제품을 연구 중"이라고 설명했다. 경쟁사인 삼성전자도 파운드리 기술을 접목해 더욱 다양한 형태의 3D HBM을 개발 중이다. HBM을 거꾸로 쌓는 형태의 3D HBM이 대표적이다. 발열이 심한 xPU와 로직 다이를 최상단에 배치해 발열 이슈를 개선하는 컨셉이다. xPU 상단에는 쿨링 시스템을 부착한다.

3D HBM 상용화 시 SK하이닉스와 TSMC와의 협력은 더욱 끈끈해질 것으로 보인다. 3D HBM은 기존 제품과 달리 코어 다이만 적층한 반제품 형태로 공급되는 만큼 제품 구상 단계부터 공동 R&를 진행해야 하기 때문이다. HBM3E는 베이스 다이에 복수의 코어 다이가 적층되는 반제품 형태로 공급되고 있다.

◇HCB 적용 HBM 합격점, 고객사 요청 시 대응

이날 SK하이닉스는 하이브리드 본딩 기술을 적용한 12단 HBM도 공개했다. 신뢰성 실험 등 4가지 테스트 항목에서 합격점을 받았다. 이 부사장은 "(하이브리드 본딩 기술을) HBM3로 성능 검증을 했을 때 큰 이슈는 없었다"며 "다만 아직은 R&D 단계이고 양산까지는 시간이 필요한 상황"이라고 설명했다.

하이브리드 본딩은 차세대 패키지 기술로 각광받는 기술이다. HBM 적층에 쓰이는 서멀 컴프레션(TC)-논컨덕티브필름(NCF), MR-MUF 대비 열 방출 개선이 가능하고, 갭 하이트를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 글로벌 반도체 장비 기업 어플라이드머티어리얼즈는 16단 HBM에 하이브리드 본딩 적용 시 기존 적층 방식 대비 최대 온도를 약 8°C 낮출 수 있다고 전망하기도 했다.

다만 SK하이닉스는 16단 HBM 제품까지 어드밴스드 매스리플로우(MR)-몰디드언더필(MUF)로 대응한다는 방침이다. 하이브리드 본딩 기술은 20단 HBM부터 적용한다. 다만 고객의 요청이 있을 시 20단 미만 제품에서 하이브리드 본딩을 지원할 계획이라고 밝혔다.