[산업 분석] "역사는 반복되는가?" 삼성전자의 zHBM 결단, HBM 패권 탈환 시나리오

1. 들어가며 : 주도권을 뺏긴 삼성, 그리고 절치부심

반도체 업계에는 삼성전자에게 뼈아픈 역사가 있습니다. 바로 HBM(고대역폭메모리) 시장의 주도권 상실입니다.

사실 2010년대 후반까지만 해도 삼성전자는 HBM2를 업계 유일하게 양산/공급할 정도로 선두주자였습니다. 하지만 시장 초기에는 HBM이 고가, 소규모였고 이에 따라 업체마다의 투자속도 판단이 달랐습니다.

반면 SK하이닉스는 HBM의 성장 국면에서 빠르게 존재감을 키웠고, AI 시대가 본격화되면서 HBM 공급 경쟁에서 유리한 고지를 점한 것으로 평가받습니다. 그리고 2026년, 삼성전자는 현행 2.5D 방식의 연장선만으로는 격차를 좁히기 어렵다는 문제의식 아래, 더 큰 구조적 변화를 지향하는 zHBM 카드를 전면에 내세웁니다.

2. zHBM이란 무엇인가? (2.5D -> 3D 패러다임 전환)

삼성은 아예 게임의 룰을 바꾸는 전략을 택했습니다.

• 기존 (2.5D): GPU 옆에 HBM을 놓고 인터포저로 연결
• zHBM (3D): GPU 머리 위에 HBM을 직접 적층하는 기술

현재 대다수 GPU-HBM 결합은, GPU 옆에 HBM 스택을 배치하고 패키지 내에서 연결(예: 인터포저/기판 및 배선 구조)하는 2.5D 형태가 주류입니다.

삼성이 제시한 zHBM은 HBM을 GPU 위쪽 방향으로 적층하는 3D적 접근을 통해, 로직(연산)과 메모리(대역폭)를 수직 방향으로 더 가깝게 가져가려는 개념으로 설명됩니다. 핵심 메시지는 연결 구조를 바꾸어 신호 경로를 줄이고, 그 결과 전력 효율과 대역폭/지연시간 측면에서 잠재적 이점을 노린다는 점입니다.

3. 핵심 기술 : 어떻게 가능한가?

이런 구조를 구현하려면, 칩과 칩 사이의 연결을 더 촘촘하고 짧게 만들 수 있는 접합 기술과, 이를 양산 레벨로 끌어올릴 공정·패키징 역량이 필요합니다. 삼성의 zHBM 구상과 함께 자주 언급되는 키워드는 다음과 같습니다.

• Hybrid Bonding : 범프 기반 연결의 한계를 넘기 위해, 금속-금속(예: 구리) 직접 접합 등으로 접합 피치/저항/신호 경로를 개선하려는 접근입니다.
• Wafer-level bonding (W2W 등) : 다이 단위보다 웨이퍼 단위 접합이 생산성·정렬 정밀도 측면에서 장점이 있을 수 있어 차세대 적층에서 후보군으로 거론됩니다.

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4. 관전 포인트 : 공수교대 (이번엔 삼성이 도전자다)

흥미로운 점은 경쟁의 프레임이 과거와 유사하게 보인다는 것입니다. 이미 시장에서 검증된 방식의 수율/공급 안정성을 높이는 전략이 있는 반면, 판을 바꾸는 구조 혁신으로 격차를 줄이려는 전략도 있습니다.

현재 SK하이닉스는 HBM3E 등 현행 세대의 양산 경쟁력과 신뢰성(수율, 공급 능력)을 축으로 리더십을 강화하는 흐름으로 해석됩니다. 반면 삼성은 “기존 방식의 최적화만으로는 격차를 단기간에 좁히기 어렵다"는 판단 아래, 난이도는 높지만 성공 시 파급이 큰 3D 적층(zHBM)으로 변곡점을 만들려는 그림에 가깝습니다.

 

마치 HBM3에서 경쟁하기보단 HBM4에서 싸우려 했던 모습과 Trench와 Stack방식으로 경쟁했던 삼성전자의 과거 모습이 떠오릅니다.

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5. 삼성전자의 '믿는 구석' : IDM 턴키(Turn-Key)

삼성이 이런 도전을 추진할 수 있는 배경으로 자주 거론되는 건, 메모리(HBM)뿐 아니라 파운드리(로직), 패키징 역량까지 폭넓게 보유한 ‘수직 통합형 운영’입니다. 3D 적층은 메모리만 잘 만들어서는 끝나지 않고, 로직 다이/패키지 구조/열·전력 설계까지 동시에 맞물려야 하므로 협업 난도가 크게 올라갑니다.

경쟁사 입장에서는 로직은 외부 파운드리, 패키징은 또 다른 파트너와의 조율이 필요해 개발·양산 최적화가 복잡해질 수 있습니다. 반면 삼성은 내부 조직 간 동시 최적화(설계-공정-패키징 연동)를 통해 문제를 더 빠르게 닫아갈 여지가 있다는 점에서, 일종의 턴키(End-to-end) 역량을 강점으로 내세울 수 있습니다.

 

6. Insight

HBM 경쟁사는 “현재의 수익성/검증된 공정”과 “미래의 기술 선점” 사이에서 늘 선택을 요구받습니다. 사실 HBM 뿐만이 아니라 반도체의 역사를 공부하다보면 반도체업계에서는 늘상 있는 일이라고 생각합니다. 한 번 타이밍을 놓치면, 기술/생산/고객 인증이 맞물리는 메모리 생태계 특성상 격차를 되돌리기가 쉽지 않다는 점도 업계가 반복해서 보여준 교훈입니다.

삼성의 zHBM 전략은 이런 교훈을 의식한 행보로 읽힙니다. 관건은 ‘개념의 우수성’뿐 아니라, 실제 고객이 요구하는 수준의 수율·열관리·공급 안정성을 얼마나 빠르게 달성하느냐이고, 이 지점에서 2026년 이후 경쟁의 승부가 갈릴 가능성이 큽니다.