[서울=뉴스핌] 서영욱 기자 = 테슬라가 차세대 인공지능(AI) 반도체에 고대역폭메모리(HBM) 도입을 추진하면서 글로벌 메모리 3사에 새로운 공급 시장이 열릴 전망이다.

삼성전자는 기존 파운드리 협력을 HBM과 첨단패키징 분야로 확대할 기회를 맞았고, SK하이닉스도 신규 고객 확보를 기대할 수 있게 됐다. 테슬라와 이미 메모리 공급 관계를 구축한 마이크론까지 가세할 경우 삼성전자와 SK하이닉스, 마이크론 간 수주 경쟁이 펼쳐질 가능성이 크다.

테슬라는 자체 반도체 생산시설을 구축해 메모리까지 직접 생산한다는 구상이지만, 첨단 제조기술 확보와 양산체계 구축에는 상당한 시간이 필요하다. 이에 따라 당분간 기존 메모리 업체들과의 협력이 불가피할 것으로 보인다.

10일 반도체업계와 미국 반도체 전문매체 톰스하드웨어에 따르면 최근 공개된 테슬라의 AI 반도체 로드맵 관련 자료에는 차세대 AI 학습용 반도체 '도조 D3'에 HBM을 결합한 멀티 칩렛 구조와 2.5차원(2.5D)·3차원(3D) 패키징 기술을 도입하는 방향이 담겼다. 여러 개의 연산용 반도체를 연결하고 고속 메모리를 함께 배치해 데이터 처리 능력을 높이는 방식이다.

◆ 중단했던 도조 개발 재개…S램 대신 HBM 선택

테슬라가 자체 AI 반도체 개발 전략을 수정한 것은 이번이 처음이 아니다. 지난해 8월 도조 슈퍼컴퓨터 개발 조직을 해체하며 사실상 프로젝트를 중단했지만, 올해 1월 일론 머스크 최고경영자(CEO)가 차세대 도조3 개발 재개를 발표했다. 당시 머스크 CEO는 도조3를 우주 기반 AI 컴퓨팅에 활용하겠다는 구상도 밝혔다.

새롭게 제시된 도조 D3는 기존 제품과 메모리 구조부터 다르다. 초기 모델인 도조 D1은 칩 내부에 고속 정적램(S램)을 대규모로 배치하고 웨이퍼 단위로 연산 칩을 연결했다. S램은 데이터 처리 속도가 빠르지만 저장 용량을 늘리는 데 한계가 있고 제조 비용도 높다. 반면 HBM은 여러 장의 D램을 수직으로 쌓아 대용량 데이터를 빠르게 전달할 수 있다.

테슬라가 HBM 도입을 추진하는 것도 AI 학습에 필요한 데이터 처리량이 늘어나고 있기 때문이다. 특히 도조 D3는 AI 학습뿐 아니라 우주 공간에서의 연산까지 염두에 두고 있다. 우주용 반도체는 전력 소모와 발열, 방사선에 대한 내구성 등 추가적인 기술 요건을 충족해야 한다.

이 같은 설계 변경은 삼성전자와 SK하이닉스 등 메모리 업체에 새로운 사업 기회로 이어질 수 있다. 테슬라가 독자 AI 반도체 개발에 HBM을 본격적으로 도입하면 기존 AI 가속기 시장과 별도로 새로운 공급 수요가 발생하기 때문이다.

삼성전자는 이미 테슬라와 반도체 위탁생산 협력관계를 구축하고 있어 협력 확대 가능성이 거론된다. 삼성전자는 지난해 7월 테슬라와 22조8000억원 규모의 파운드리 계약을 체결했다. 삼성전자는 파운드리뿐 아니라 HBM 생산과 첨단패키징 기술까지 보유하고 있어 기존 협력을 메모리 분야로 확대할 여지가 있다.

SK하이닉스 역시 새로운 고객을 확보할 기회를 맞을 수 있다. AI 반도체에 들어가는 연산 칩과 HBM은 서로 다른 업체에서 공급받을 수 있기 때문이다. 도조 D3의 연산 칩을 다른 파운드리 업체가 생산하더라도 SK하이닉스가 HBM을 공급하는 구조가 가능하다. SK하이닉스는 미국 인디애나주에 HBM 첨단패키징 공장을 건설하고 있으며 2029년 하반기 양산을 목표로 하고 있다.

테슬라가 이미 마이크론과 메모리 공급 협력관계를 맺고 있다는 점은 변수다. 머스크 CEO는 지난 7월 실적발표에서 마이크론이 향후 수년간 상당한 메모리 물량을 배정했다며 감사를 표시했다. 도조 D3의 HBM 공급사도 아직 정해지지 않은 만큼 향후 메모리 3사의 공급망 진입 여부가 관건이다.

◆ 테슬라·스페이스X, HBM 직접 생산 추진…양산까지는 과제

테슬라가 HBM 자체 생산을 추진하고 있다는 점도 향후 공급망을 좌우할 변수다. 테슬라는 스페이스X와 공동으로 미국 텍사스주에 반도체 생산시설 '테라팹(Terafab)'을 구축해 AI 반도체뿐 아니라 메모리까지 직접 생산한다는 구상이다. 자동차와 로봇을 넘어 우주 기반 AI 컴퓨팅에 필요한 반도체 공급망까지 자체 확보하겠다는 전략이다.

첨단 메모리 생산에 필요한 기술과 설비를 확보하는 데 상당한 시간이 걸리는 만큼 초기에는 외부 업체로부터 HBM을 조달할 가능성이 크다.

실제로 테슬라는 자체 메모리 개발을 위한 전문인력을 모집하면서 외부 업체와의 협력도 추진하고 있다. 공식 채용공고에는 HBM과 저전력 D램(LPDDR) 설계 인력을 모집하고, 외부 메모리 업체 및 반도체 설계자산(IP) 기업과 협력해 제품 설계와 성능을 최적화한다는 내용이 담겼다. 자체 생산체계 구축과 별개로 기존 메모리 업체의 기술을 활용하려는 움직임이다.

테라팹의 생산 일정도 당장 HBM을 자체 조달하기는 어렵다는 관측에 무게를 싣는다. 머스크 CEO는 2028년 3분기를 초기 양산 목표로 제시했지만, 이에 앞서 2027년 5~6월 생산할 첫 시험용 반도체는 HBM이 아닌 정적램(S램) 기반 제품이다. 이마저도 머스크 CEO가 매우 도전적인 일정이라고 인정했다.

반도체업계 관계자는 "테슬라가 자체 메모리 생산에 성공하면 장기적으로 기존 업체들에 새로운 경쟁 요인이 될 수 있다"면서도 "HBM은 제조공정과 적층 기술 등 높은 기술력이 필요한 만큼 자체 양산체계를 갖추기 전까지는 삼성전자와 SK하이닉스 등 기존 메모리 업체와의 협력이 불가피할 것으로 보인다"고 말했다.

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