삼성전자, 메모리 한계 '3D'로 뚫는다…'CUBE' 전략 공개

용량·최적화·대역폭·효율 4축…HBM5·zHBM 로드맵 제시

D램·낸드 1위 생산력 바탕…AI 메모리 주도권 확대

1일 대만 타이베이에서 열린 '세미콘 타이완 2026'에서 최장석 삼성전자 DS부문 메모리사업부 상품기획팀장(상무)이 메모리 기술 한계 극복을 위한 '큐브(CUBE)' 전략을 발표하고 있다. [사진=삼성전자]

삼성전자가 인공지능(AI) 시대의 메모리 한계를 3차원 구조 혁신으로 돌파하는 '큐브(CUBE)' 전략을 공개했다. 메모리를 단순히 더 높게 쌓는 데 그치지 않고 용량과 데이터 활용률 그리고 대역폭과 전력·열 효율을 함께 끌어올리겠다는 구상이다. HBM5와 차세대 zHBM 그리고 D램과 낸드 사이를 메울 zNAND-O까지 제품군을 넓혀 AI 메모리 주도권 강화에 나섰다.

삼성전자는 1일 대만 타이베이에서 열린 '세미콘 타이완 2026'의 메모리 이그제큐티브 서밋에서 최장석 삼성전자 DS부문 메모리사업부 상품기획팀장 상무가 이 같은 내용의 메모리 기술 전략을 발표했다고 밝혔다. CUBE는 용량(Capacity)과 최적화(Utilization) 그리고 대역폭(Bandwidth)과 효율(Efficiency)을 뜻한다.

핵심은 AI가 요구하는 메모리 성능을 기존 평면 구조의 미세화만으로 대응하기 어려워지면서 3차원 구조를 적극 활용하는 것이다. 최 상무는 용량 확대와 관련해 "이제 더 이상 PCB 면적에 제한되지 않고 보드 면적을 키우지 않고도 수직으로 확장해 메모리 용량을 늘릴 것"이라고 말했다.
 

삼성전자는 올해 2분기 글로벌 D램 시장 점유율 39%로 1위를 차지했다. [사진=카운터포인트]

단순 적층보다 각 층을 어떻게 활용할지도 중요해진다. 최 상무는 "3D는 단순히 쌓는 것이 아니라 각 층을 어떻게 활용하느냐가 핵심"이라며 "삼성은 데이터 처리 지연을 없애기 위해 로직·메모리 배치를 최적화하고 있다"고 설명했다.

AI 연산 성능을 좌우하는 데이터 이동 속도 역시 CUBE 전략의 한 축이다. 최 상무는 "다이 사이의 거리를 획기적으로 단축함으로써 수직 고속도로를 형성해 대역폭을 획기적으로 개선할 수 있다"고 말했다. 칩을 수직으로 연결해 데이터가 이동하는 거리를 줄이고 처리량을 높이겠다는 것이다.

전력과 발열도 해결해야 할 과제로 꼽았다. AI 시스템의 연산량이 커질수록 데이터를 이동시키는 데 필요한 전력도 증가하기 때문이다. 최 상무는 "3D의 최종 목표는 단일 비트의 데이터를 이동시키는 데 필요한 에너지를 줄이는 것"이라며 "구조적 효율성을 높여 와트당 성능을 극대화하고 있다"고 말했다.
 

삼성전자는 올해 2분기 그로벌 낸드플래시 시장에서 매출액 230억5930만 달러(약 32조 5689억원)를 기록하며 1위를 지켰다. [사진=트렌드포스]

삼성전자는 이 전략을 차세대 HBM 제품에 적용한다. 현재 개발 중인 HBM5는 HBM4E보다 성능을 2배 높이는 것을 목표로 한다. 와트당 성능은 20% 개선하고 열 저항은 20% 낮춘다는 계획이다.

HBM 이후를 겨냥한 zHBM도 개발하고 있다. 삼성전자가 제시한 목표는 HBM4E 대비 성능 8배와 와트당 성능 3배 향상이다. 열 저항은 75~90% 낮추는 것을 목표로 하고 있다. AI 가속기의 연산 성능이 빠르게 올라가는 만큼 메모리 역시 대역폭뿐 아니라 전력과 발열까지 함께 개선해야 한다는 판단이 반영됐다.

D램과 낸드 사이의 성능·용량 격차를 겨냥한 zNAND-O도 준비한다. zNAND-O는 D램보다 비트 밀도를 10배 높여 대규모언어모델(LLM)에 필요한 대용량 데이터를 담으면서 낸드보다 읽기 대역폭과 전력 효율을 7배 높이는 것이 목표다. 삼성전자는 2028년 샘플 공급을 시작할 계획이다.

삼성전자는 차세대 제품 개발과 함께 기존 메모리 시장에서 확보한 생산 기반도 AI 메모리 경쟁의 강점으로 내세우고 있다. 카운터포인트리서치에 따르면 삼성전자는 올해 2분기 글로벌 D램 시장에서 매출 기준 39%로 1위를 기록했다. SK하이닉스는 26%이며 마이크론은 25%였다.

낸드에서도 1위를 유지했다. 트렌드포스에 따르면 삼성전자의 2분기 낸드 시장 점유율은 29.3%다. AI 서버용 기업용 솔리드스테이트드라이브(SSD) 판매가 늘면서 매출은 전분기보다 70.7% 증가했다.

생산능력도 업계 최대 수준이다. 옴디아는 올해 삼성전자의 D램 생산능력을 300㎜ 웨이퍼 기준 연간 약 817만5000장으로 전망했다. 삼성전자는 범용 D램과 낸드에서 확보한 생산 기반에 HBM과 기업용 SSD 그리고 차세대 3D 메모리를 더해 AI 메모리 시장에서 제품 포트폴리오를 확대한다는 계획이다.