마이크론, 4F² D램 대신 웨이퍼 본딩·3D 메모리에 승부…경쟁사와 다른 길 택해

마이크론, 향후 10년 메모리 개발에서 다른 길 택해

마이크론 테크놀로지는 삼성전자와 SK하이닉스, 중국 창신메모리테크놀로지(CXMT)가 추진하는 더 작은 4F² 설계 대신 기존 6F² D램 셀 구조 개발을 이어갈 방침이다. 대안으로 기존 D램을 한층 개선하고 웨이퍼 본딩을 적용하며, 궁극적으로 3D D램을 개발하는 방안을 제시했다.

마이크론은 2026년 10월 21일 기술 웨비나에서 다음 주요 단계의 시점을 확정했다. 아이다호주 보이시 공장에서 2027년 하반기 1-델타 D램 양산을 시작한다는 계획이다. 현재 1-감마 세대보다 비트 밀도를 20%대 중반 높여 같은 칩 면적에 더 많은 데이터를 저장하는 것을 목표로 한다.

마이크론의 사장 겸 최고기술·제품책임자 스콧 드보어는 4F²를 더 축소하는 데 근본적인 물리적 문제가 있다고 밝혔다. 마이크론은 발표에서 해당 아키텍처를 20년 넘게 연구한 결과 실현 가능한 스케일링 경로를 찾지 못했다고 설명했다.

삼성과 SK하이닉스는 다른 경로를 택하고 있다. 두 회사는 향후 3D D램으로 전환하기에 앞서 4F²를 실현하기 위한 수직 트랜지스터 구조를 연구 중이다. CXMT도 서버 메모리용으로 해당 설계를 추진하고 있지만, 첨단 반도체 제조 장비 접근에 제약을 받고 있다.

경쟁의 핵심은 실용적인 질문에 달려 있다. 어느 접근법이 더 낮은 비용으로 더 신뢰성 높은 메모리를 제공할 수 있을까? 마이크론은 익숙한 셀 설계를 연장하면서 칩의 제조와 연결 방식을 바꾸는 것이 4F²로 전환하는 것보다 고객에게 더 나은 선택이라고 보고 있다.

작은 셀이 더 큰 논쟁을 부르는 이유

D램은 컴퓨터가 빠르게 사용해야 하는 정보를 보관하는 작업 메모리다. 일반적인 메모리 셀은 스위치 역할을 하는 트랜지스터와 전하를 저장하는 커패시터를 사용해 데이터 1비트를 저장한다.

6F²와 4F²라는 표기는 제조 치수인 F를 기준으로 한 셀의 면적을 나타낸다. F가 같다면 면적이 6단위에서 4단위로 줄어들어 명목상 셀 면적이 3분의 1 감소한다. 이상적인 배치에서는 6을 4로 나눈 값이 1.5이므로 같은 면적에 셀을 50% 더 넣을 수 있다.

마이크론의 반론은 커패시터에 초점을 맞춘다. 트랜지스터를 수직으로 세워 공간을 줄이더라도 그 위에 있는 커패시터는 안정성을 유지하고 전하를 보존하며 주변 셀과 간섭하지 않도록 충분한 공간이 필요하다. 드보어는 커패시터 간 간격인 커패시터 피치가 D램 비트 밀도의 근본적인 한계라고 말했다.

드보어는 질의응답에서 마이크론의 판단 근거를 설명했다:

4F² 스케일링에는 근본적인 문제가 있으며, 결국 4F² 대신 3D D램이 등장하게 될 것입니다.

제조 공정에도 추가 제약이 따른다. 더 높고 좁은 구조물은 균일하게 형성하기 어렵고, 더 얇은 전기 연결부는 저항이 커져 신호 이동을 늦출 수 있다. 상업적 이점은 이런 문제를 해결한 뒤 웨이퍼에서 작동하는 비트가 얼마나 많이 나오는지에 달려 있다.

마이크론의 생산 계획과 일정

마이크론은 1-감마 기술이 이미 대량 생산 중이며, 향후 12개월 동안 출시할 제품의 기반이 될 것이라고 밝혔다. 차세대 1-델타는 HBM5와 수직 HBM, 그리고 사용 기기 가까이에서 AI 추론을 처리하는 메모리 등을 지원할 예정이다.

그다음 1-엡실론 세대에서는 웨이퍼 본딩을 D램 개발 로드맵에 도입한다. 이 공정은 별도로 제조한 웨이퍼를 접합해 엔지니어들이 서로 다른 제조 공정을 활용해 메모리 셀과 지원 회로를 더 자유롭게 만들도록 한다.

마이크론은 이후 세대를 위한 기술로 하이-NA EUV 리소그래피와 신소재도 꼽았다. 하이-NA EUV는 첨단 광학 시스템을 이용해 더 미세한 칩 패턴을 구현한다. 로드맵에는 이와 함께 3D1과 3D2로 명명된 3D D램 개발 단계 두 가지가 포함됐다.

• 2026년 10월 21일: 마이크론, 6F²를 연장하고 웨이퍼 본딩과 3D D램을 개발하겠다는 계획 발표.
• 2027년 하반기: 마이크론, 보이시에서 1-델타 D램 양산 시작 목표.
• 2027년 하반기: 11세대 낸드도 양산 확대에 들어갈 예정.
• 이후 D램 세대: 1-엡실론에서 웨이퍼 본딩을 도입한 뒤 첨단 리소그래피, 신소재, 3D D램 개발 추진.
• 2027~2030년: 마이크론의 HBM 로드맵은 해마다 HBM4E, HBM5, HBM5E, HBM6로 이어짐.

마이크론은 3D D램의 상용 출시 시점을 확정하지 않았다. 드보어는 전환 시점이 비용, 제조 복잡성, 소자 성능에 달려 있다고 말하면서도 일반적인 평면형 D램을 몇 세대 더 개발할 수 있다고 자신감을 나타냈다.

삼성·SK하이닉스, 수직 트랜지스터 추진

삼성의 접근법은 수직 채널 트랜지스터와 웨이퍼 본딩, 인듐갈륨아연산화물(IGZO)이라는 산화물 반도체 연구를 결합한다. 첨단 4F² 연구는 약 5년 전부터 진행돼 왔다.

IGZO는 원치 않는 전하 누출인 누설 전류를 줄이기 위해 연구되고 있다. D램 셀은 컴퓨터가 안정적으로 읽을 수 있을 만큼 충분히 오랫동안 전하를 유지해야 하므로 누설 전류가 중요하다. 삼성의 본딩 구상은 메모리 셀이 있는 웨이퍼와 지원 회로가 있는 웨이퍼를 분리해 만든 다음 서로 접합하는 방식이다.

SK하이닉스는 4F² 수직 게이트 플랫폼과 웨이퍼 본딩을 결합하는 연구를 공개했다. 이 아키텍처로 더 높은 밀도와 낮은 전력 소비를 추구하는 동시에 장기적으로 3D D램을 준비한다는 전략이다.

업계 전망은 한국 업체들의 4F² 생산 가능 시점을 2027~2028년으로 보고 있다. 다만 더 신중한 전망에서는 기존 주요 업체의 실질적인 생산이 2028년 말이나 그 이후에야 가능할 것으로 본다. 이 전망은 개발 진행 상황과 고객 인증, 생산 수율, 즉 제조된 칩 중 제대로 작동하는 비율에 따라 달라진다.

따라서 웨이퍼 본딩은 서로 경쟁하는 전략에서 공통으로 쓰이는 기술이다. 삼성과 SK하이닉스는 4F²의 실현을 돕는 데 본딩을 활용하려 한다. 마이크론은 6F²를 유지하면서 본딩을 적용할 계획이다. 이견은 본딩의 역할 여부가 아니라 셀 아키텍처와 개발 순서에 있다.

CXMT, 장비 제약 우회 경로 모색

CXMT가 4F²에 관심을 두는 또 다른 이유는 극자외선 리소그래피 장비 접근 제한이다. CXMT는 구형 불화아르곤 리소그래피 장비를 활용하면서 밀도를 높일 수 있는 구조적 변화를 추진하고 있다.

제안된 방식은 수직 게이트 구조와 지름 12인치 웨이퍼의 하이브리드 본딩을 결합한다. 메모리 어레이와 주변 로직 회로를 별도로 만든 다음 연결한다. 이 접근법과 관련된 추정치는 저장 밀도가 30~50% 높아질 가능성을 제시한다.

CXMT는 서버용 DDR5 레지스터드 메모리 모듈인 RDIMM을 목표로 하고 있다. 2026년 말 이전 제품 출시를 목표로 발표했으며, 같은 해 안에 고객 인증을 받겠다는 계획도 세웠다. 생산 수율과 출하량, 본격적인 상용 생산 확대 일정은 공개하지 않았다.

따라서 발표와 시장 공급의 실질적 확대 사이에는 여러 단계가 남아 있다. 서버 고객이 메모리를 인증해야 하고, CXMT는 더 많은 물량을 출하할 수 있는 비용으로 제품을 일관되게 생산해야 한다.

골드만삭스는 CXMT의 월간 D램 웨이퍼 생산능력이 2026년 말 29만 장에서 2028년 말 51만3,000장으로 늘어날 것으로 전망했다. 22만3,000장, 약 77% 증가하는 셈이다. 또 2028년에는 CXMT가 중국 D램 수요의 약 50%, HBM 수요의 40%를 충족할 수 있을 것으로 추산했다.

HBM에는 메모리 셀 제조 외에도 추가 요건이 필요하다. 첨단 패키징, 적층 칩 사이의 안정적인 연결, 성능이 우수한 베이스 로직 다이가 필요하다. 필요한 장비와 제조 공정에 접근할 수 있는지가 CXMT의 여러 메모리 시장 진출 속도를 좌우할 것이다.

수직 HBM, 메모리를 프로세서 바로 위에 배치

마이크론의 수직 HBM 구상은 AI 시스템에서 메모리가 놓이는 위치를 바꾼다. 기존 HBM도 여러 D램 칩을 적층하지만, 보통은 구성 요소 사이에 신호를 전달하는 연결 플랫폼인 인터포저 위에서 프로세서 옆에 놓인다.

수직 HBM은 메모리를 프로세서 바로 위에 배치한다. 마이크론은 간격이 매우 좁은 접점을 연결하는 하이브리드 본딩을 이용해 메모리와 컴퓨팅 하드웨어 사이에 더 짧고 밀도 높은 연결부를 만들 계획이다.

주요 목표는 대역폭, 즉 매초 전송되는 데이터량을 늘리는 것이다. AI 프로세서는 메모리와 연산 회로 사이에서 대량의 정보를 반복해서 이동시킨다. 연결 속도가 빨라지면 프로세서가 데이터를 기다리는 시간을 줄이고 계산에 더 많은 시간을 쓸 수 있다.

열이 설계를 어렵게 만든다. 고성능 프로세서는 상당한 열을 발생시키며, 그 위에 놓인 메모리는 그런 환경에서도 안정적으로 작동해야 한다. 드보어는 대역폭이 수직 HBM의 주된 동인인 반면, 열 제약 때문에 메모리 용량은 다른 속도로 늘어날 것이라고 말했다.

마이크론은 HBM 베이스 다이의 발열이 심한 부분 위에 방열판을 두는 방식을 포함해 열 관리 기술을 개발하고 있다. 초기 대역폭 목표가 모듈당 약 초당 2테라바이트인 수직 엣지 추론 메모리(vEIM)도 개발 중이다. 엣지 추론은 데이터가 수집되거나 사용되는 곳 가까이에서 AI 모델을 실행하는 것을 뜻한다.

마이크론의 계획은 여러 유형의 수직 구조를 아우른다. 웨이퍼 본딩, 프로세서 위에 메모리 칩을 쌓는 방식, 궁극적으로 3D D램 셀 구조를 만드는 방식이다. 각각 제한된 공간에 더 많은 메모리와 더 빠른 연결부를 넣는 문제의 서로 다른 측면을 해결한다.

연례 HBM 발전과 빠듯한 공급

마이크론의 제품 로드맵은 HBM4를 2026년, HBM4E를 2027년, HBM5를 2028년, HBM5E를 2029년, HBM6를 2030년에 배치했다. 이는 표준 제품과 맞춤형 제품을 차세대 수직 설계와 함께 개발하는 회사의 연례 제품 출시 계획을 보여준다.

마이크론은 현재 HBM4가 이미 대량 생산 중이라고 밝혔다. 메모리 다이 12개를 쌓은 제품은 36기가바이트 용량과 초당 2.8테라바이트가 넘는 대역폭을 제공하며, 핀당 속도는 초당 11기가비트를 넘는다.

회사는 HBM3E보다 전력 효율이 20% 이상 높다고 주장한다. 메모리 다이 16개와 48기가바이트 용량을 갖춘 제품도 샘플링 중이다. 맞춤형 제품은 베이스 다이에 고객별 메모리·로직 기능을 넣을 것으로 예상되며, 표준 제품도 제품군에 포함된다.

마이크론은 2026년 HBM 공급 물량이 이미 모두 판매됐다고 밝혔다. 산제이 메로트라 최고경영자는 2027년과 2028년에도 공급이 수요보다 빠듯할 것으로 예상했다. 싱가포르의 추가 패키징 생산능력은 2027년 상반기부터 공급에 기여할 전망이다.

이러한 공급 제약은 AI 시스템을 계획하는 구매자에게 중요하다. 더 높은 메모리 대역폭은 시스템 성능을 개선할 수 있지만, 고객은 예측 가능한 납기와 감당 가능한 전력 소비, 작업 부하를 처리할 충분한 용량도 필요로 한다. 마이크론은 고객과 긴밀히 협력해 제품을 개발함으로써 이러한 요구를 함께 해결하려 한다.

휴대전화·서버·저장장치까지 이어지는 로드맵

마이크론의 계획은 HBM에 그치지 않는다. 회사는 LPDDR6의 전력 성능이 LPDDR5보다 약 35% 개선될 것으로 전망하며, 일부 용량에서는 개선 폭이 더 클 것으로 내다봤다. LPDDR 메모리는 모바일 기기에 쓰이며, 전력 특성 때문에 데이터센터에서도 관심을 얻고 있다.

DDR6는 DDR5보다 대역폭을 약 두 배 높이는 것을 목표로 한다. 마이크론은 최근 512기가바이트 모듈을 샘플링한 데 이어 용량 1테라바이트 서버 RDIMM도 계획하고 있다. 대용량 모듈을 사용하면 서버가 작업 메모리에 더 많은 정보를 저장할 수 있다.

전원을 꺼도 저장된 데이터가 유지되는 낸드 플래시의 경우, 마이크론은 2027년 하반기 11세대 양산 확대에 들어갈 계획이다. 이 설계는 웨이퍼 본딩을 적용하고 400개가 넘는 층을 사용한다. 마이크론은 9세대 대비 비트 밀도가 두 배 이상 높아지고, 입출력 속도는 1.5배를 목표로 하며, 비트당 데이터 전송 에너지는 25% 이상 줄어들 것이라고 밝혔다.

낸드 시장에서도 중국 업체들의 경쟁이 커지고 있다. 옴디아 자료에 따르면 양쯔메모리테크놀로지(YMTC)는 2분기 세계 낸드 시장의 14.2%를 차지했고, 삼성은 28.1%를 기록했다. 중국 내에서는 YMTC가 38.7%로 삼성의 33.4%를 앞섰다. 낸드는 수년간 수직 셀 적층을 활용해 왔지만, 셀 구조의 특성 때문에 D램은 전환이 더 어렵다.

작동 칩과 생산 비용이 경쟁의 승패 가른다

마이크론은 6F²를 연장하고 본딩을 개선하며 3D 구조를 준비하는 데 엔지니어링 역량을 집중한다. 삼성과 SK하이닉스, CXMT는 더 작은 셀 아키텍처를 안정적으로 구현하는 데 역량을 투입하고 있다. 두 경로 모두 제조 위험을 안고 있다.

4F²의 과제로는 커패시터 간격과 누설, 좁은 전기 연결부, 수직 트랜지스터 내부의 전하 제어 등이 있다. 본딩에는 정밀한 정렬도 요구된다. 추가 공정 단계와 개발 비용을 상쇄할 만큼 작동하는 메모리를 충분히 생산할 수 있는지가 경제적 성과를 좌우한다.

어느 전략을 택하든 장비 공급업체는 달라지는 요구에 대응해야 한다. 원자층 증착은 구조물에 매우 얇은 막을 입히고, 식각은 좁고 깊은 형태를 만들기 위해 재료를 제거한다. 메모리 구조가 더 높고 복잡해질수록 두 공정이 모두 중요해진다.

투자자들은 공급 부족과 향후 중국의 생산 확대 가능성이 맞서는 상황에 민감하게 반응했다. 10월 16일에는 CXMT의 진전에 대한 우려가 커지면서 마이크론 주가가 3% 넘게, SK하이닉스 주가가 5% 넘게 하락했다. 이후 10월 21일 한국 시장에서 삼성전자와 SK하이닉스 주가는 약 6% 상승해 기대가 얼마나 빠르게 변했는지를 보여줬다.

고객이 더 당면한 문제는 제품에 필요한 메모리를 얼마나 확보할 수 있느냐다. 키뱅크 애널리스트 존 빈은 생산능력이 데이터센터로 이동하면서 2027년 PC와 스마트폰용 메모리 공급이 20~30% 줄어들 수 있다고 전망했다. 그의 가격 전망에는 2026년 4분기 D램 가격 15~20% 상승과 낸드 가격 약 20% 상승이 포함된다.

앞으로 주목할 구체적 일정은 CXMT의 2026년 말 이전 서버 메모리 출시 계획, 2027년 초 마이크론의 추가 패키징 생산능력 가동, 그리고 2027년 하반기 1-델타 및 11세대 낸드의 생산 확대다. 고객 인증과 작동 칩 생산량, 제조 비용을 통해 각 계획이 실제 제품으로 이어지는 모습을 확인할 수 있을 것이다.

핵심 요점

• 마이크론은 4F² D램을 채택하지 않고 6F²를 연장하는 한편 웨이퍼 본딩을 도입하고 3D D램을 개발하기로 했다.
• 1-델타 D램은 2027년 하반기 보이시에서 양산할 예정이며, 비트 밀도는 20%대 중반 높이는 것을 목표로 한다.
• 삼성과 SK하이닉스는 웨이퍼 본딩 및 장기적인 3D D램 개발과 함께 4F² 수직 트랜지스터 구조를 연구 중이다.
• CXMT는 2026년 말 이전 4F² 서버 메모리 출시를 목표로 하지만 생산 규모는 공개하지 않았다.
• 수직 HBM은 대역폭을 높이기 위해 메모리를 프로세서 바로 위에 배치하는 방식으로, 열 관리가 핵심 과제다.
• 마이크론은 2030년까지 HBM 세대를 차례로 발전시킬 계획이며, 2027년과 2028년에도 메모리 공급이 빠듯할 것으로 예상한다.