HBM 경쟁을 보면 19세기 전류 전쟁이 보인다

청랑 배경지식 · 서양 근현대사에서 읽는 오늘의 반도체 경쟁

AI 반도체의 승부는 왜 메모리 하나만 잘 만든다고 끝나지 않을까

삼성전자 HBM4·zHBM에서 만나는 19세기 전류 전쟁과 시스템 경쟁

인공지능이 빠르게 발전하면서 반도체 경쟁의 모습도 달라지고 있다. 과거에는 얼마나 빠르게 계산할 수 있는지가 중요한 성능의 기준이었다면, 이제는 계산에 필요한 데이터를 얼마나 빠르게 가져오고 다시 내보낼 수 있는지가 그에 못지않게 중요해졌다. 아무리 강력한 연산장치를 갖추어도 메모리에서 데이터가 늦게 도착하면 연산장치는 자신의 능력을 온전히 사용하지 못한다.

이 문제의 중심에 고대역폭메모리, HBM이 있다. 삼성전자는 HBM4 생산을 확대하는 동시에 HBM4E와 HBM5, 더 나아가 zHBM으로 기술 개발의 범위를 넓히고 있다. 특히 zHBM이 지향하는 것은 단순히 메모리 칩을 더 빠르게 만드는 데 머물지 않는다. 연산장치와 메모리 사이의 거리를 더욱 줄이고 서로를 더 밀접하게 연결해 데이터가 이동하는 과정 자체를 바꾸려 한다.

여기서 반도체 경쟁의 성격이 달라진다. 메모리 한 종류의 속도만 비교하는 싸움에서 메모리와 연산장치를 어떻게 배치하고, 어떤 방식으로 제조하며, 어떻게 하나의 시스템으로 묶을 것인가를 겨루는 싸움으로 넓어지는 것이다. 메모리와 파운드리, 첨단 패키징 기술을 동시에 보유하고 있는 기업의 역량이 주목받는 이유도 여기에 있다.

약 140년 전 미국에서도 이와 닮은 기술 변화가 있었다. 당시 사람들의 관심은 새로운 전구 하나에서 시작했지만 곧 발전소와 전선, 변압기와 전동기까지 포함하는 거대한 전력 시스템의 경쟁으로 확대되었다. 토머스 에디슨이 추진한 직류 방식과 조지 웨스팅하우스가 확대한 교류 방식이 충돌했던 이 시기를 흔히 전류 전쟁이라고 부른다.

전류 전쟁의 핵심은 누가 더 뛰어난 발명가였는지를 가리는 데 있지 않았다. 어떤 기술이 더 넓은 지역으로 확장될 수 있었는지, 여러 장치를 하나의 체계로 묶을 수 있었는지, 그리고 실제 고객과 산업이 그 체계를 받아들였는지가 중요했다. 이 역사를 살펴보면 오늘날 HBM 경쟁 역시 단순한 메모리 점유율 이상의 문제라는 사실이 선명하게 보인다.

1. 뛰어난 발명품 하나만으로는 새로운 산업이 만들어지지 않는다

토머스 에디슨의 이름을 들으면 많은 사람이 백열전구를 떠올린다. 그러나 19세기 전기 산업에서 더 중요한 변화는 전구 그 자체보다 전구를 실제 생활 속에서 사용할 수 있는 체계를 만든 일이었다. 전구를 켜려면 전기를 생산해야 하고, 생산한 전기를 건물까지 보내야 하며, 사용량을 측정하고 안전하게 관리해야 한다.

오늘날 AI 반도체도 크게 다르지 않다. 빠른 메모리를 만드는 것만으로 전체 AI 시스템의 성능이 결정되지는 않는다. 메모리와 연산장치가 어떤 방식으로 연결되는지, 서로 다른 반도체가 얼마나 안정적으로 패키징되는지, 발열과 전력 문제를 어떻게 해결하는지가 함께 맞물린다.

2. 새로운 기술은 기존 시스템의 가장 큰 병목을 바꾸면서 성장한다

기술의 세대교체는 단순히 숫자가 커지는 과정이 아니다. 기존 시스템에서 가장 많은 비용과 시간이 드는 부분, 즉 병목을 줄일 수 있을 때 새로운 구조가 힘을 얻는다. AI 시대에는 연산 능력의 증가와 함께 데이터를 이동하는 과정이 점점 중요한 병목으로 떠오르고 있다.

HBM은 여러 개의 메모리 다이를 수직으로 쌓아 한꺼번에 많은 데이터를 전달할 수 있도록 발전해 왔다. zHBM은 여기서 한 걸음 더 나아가 메모리와 연산장치 사이의 물리적인 거리를 더욱 줄이는 방향을 지향한다. 속도를 높이는 것과 동시에 데이터가 지나가야 하는 길 자체를 짧게 만들려는 생각이다.

3. 산업의 승자는 모든 기술을 혼자 발명한 사람이 아니었다

전류 전쟁은 종종 에디슨과 테슬라 두 천재의 대결처럼 이야기된다. 하지만 실제 산업의 역사는 그렇게 단순하지 않다. 에디슨도 혼자 전력 산업을 만들지 않았고, 테슬라도 혼자 교류 산업을 건설하지 않았다. 그 뒤에는 수많은 연구자와 기술자, 기업과 투자자, 제조시설과 특허가 있었다.

산업의 규모가 커질수록 발명의 의미도 달라진다. 뛰어난 아이디어를 처음 제시하는 능력과 그것을 안정적으로 생산해 수많은 고객에게 공급하는 능력은 서로 다르다. 현대 반도체 산업에서 연구개발만큼 제조 능력과 수율, 고객과의 공동개발 경험이 중요한 이유도 같은 맥락에서 이해할 수 있다.

4. 기술은 연구실에서 태어나지만 시장의 선택을 받아야 표준이 된다

새로운 기술이 등장하면 사람들은 가장 먼저 성능 숫자를 비교한다. 몇 배 빨라졌는지, 전력은 얼마나 적게 사용하는지, 이전 세대보다 무엇이 좋아졌는지가 관심을 끈다. 그러나 높은 성능이 곧바로 시장의 성공을 의미하지는 않는다.

고객의 제품 안에서 안정적으로 작동해야 하고 대량으로 공급할 수 있어야 한다. 기존 설계와 연결할 수 있어야 하며 가격 역시 감당할 수 있는 수준이어야 한다. 결국 기술 경쟁의 중요한 마지막 단계는 누군가가 실제로 그 기술을 선택하는가이다.

5. 점유율 경쟁의 뒤에는 규모의 경제와 다음 세대의 주도권이 숨어 있다

삼성전자는 HBM 시장에서 점유율을 회복하는 동시에 HBM4의 비중을 빠르게 늘리고 있다. 중요한 것은 한 세대의 판매량만이 아니다. HBM4에서 확보한 고객과 생산 경험을 HBM4E와 HBM5, zHBM까지 이어 갈 수 있느냐가 더 장기적인 경쟁을 결정한다.

첨단 반도체는 막대한 선행투자가 필요한 산업이다. 새로운 제품을 개발하는 것만으로는 부족하다. 실제로 대량 생산할 수 있는 설비와 공정이 필요하고, 수율을 안정시키며 고객에게 정해진 시기에 충분한 물량을 공급해야 한다.

전류 전쟁이 보여 준 것은 더 좋은 부품보다 더 좋은 연결의 힘이었다

19세기 전기 산업의 역사를 돌아보면 하나의 발명품만으로 새로운 시대가 만들어지지 않았다는 사실이 보인다. 에디슨의 전기조명은 발전소와 배전망을 필요로 했고, 교류의 확산에는 변압기와 발전기, 전동기와 장거리 송전 기술이 함께 필요했다.

각 기술은 따로 존재할 때보다 서로 연결되었을 때 훨씬 큰 힘을 가졌다. 시카고 세계박람회와 나이아가라 발전소 같은 대규모 프로젝트는 이 연결이 실제로 작동한다는 사실을 보여 주었고, 고객과 투자자는 그 모습을 보며 새로운 전력 시스템을 선택했다.

AI 반도체에서도 비슷한 변화가 나타나고 있다. HBM4의 경쟁은 메모리 칩 하나의 속도를 겨루는 데서 끝나지 않는다. 메모리를 AI 가속기와 얼마나 가까이 배치할 것인지, 서로 다른 칩을 어떤 방식으로 연결할 것인지, 파운드리와 패키징 기술을 어떻게 결합할 것인지가 점점 중요해지고 있다.

zHBM이 지향하는 구조가 실제 제품으로 이어진다면 경쟁의 기준은 더욱 크게 달라질 수 있다. 메모리를 잘 만드는 기업과 메모리를 연산 시스템 안에 가장 효과적으로 통합하는 기업 사이의 차이가 커질 수 있기 때문이다.

물론 새로운 구조가 발표되었다고 해서 시장의 승자가 결정되는 것은 아니다. 목표로 제시된 성능이 실제 양산 제품에서 구현되어야 하고, 충분한 수율과 가격 경쟁력을 확보해야 한다. 무엇보다 주요 고객이 그 기술을 자신의 AI 시스템에 채택해야 한다.

그래서 HBM 경쟁을 이해할 때에는 점유율 숫자 하나보다 더 넓은 그림을 볼 필요가 있다. 어떤 기업이 다음 세대의 병목을 먼저 발견했는지, 그 문제를 해결할 기술을 가지고 있는지, 여러 공정을 하나의 시스템으로 묶을 수 있는지, 그리고 실제 고객의 선택을 얻을 수 있는지가 중요하다.

19세기에는 발전소에서 도시까지 전기를 어떻게 연결할 것인가가 새로운 산업의 승부처였다. AI 시대에는 연산장치와 메모리 사이의 몇 밀리미터를 어떻게 연결할 것인가가 거대한 반도체 산업의 새로운 승부처가 되고 있다. 기술의 시대가 달라져도 산업을 바꾸는 힘은 더 빠른 부품 하나보다 서로 다른 기술을 새로운 방식으로 연결하는 데서 시작되는 경우가 많다.

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