CXL vs. HBM: 삼성, SK하이닉스, 마이크론이 차세대 AI 데이터 센터 프런티어를 향해 경쟁하는 이유

현재 글로벌 시장에서 공급 부족 상태인 HBM(High Bandwidth Memory)은 고대역폭 메모리를 의미한다. 대역폭은 단위 시간당 전송할 수 있는 전체 데이터 양을 뜻한다. 마이크론 (MU) , SK하이닉스 및 삼성전자는 현재 전 세계적으로 HBM 양산을 주도하고 있는 공급업체다. 엔비디아의 (NVDA) H100/B200 칩은 이 기술에 크게 의존하고 있다.

현재 양산 단계에 진입한 최신 기술 표준은 6세대 고대역폭 메모리인 HBM4다. HBM4는 엔비디아의 베라 루빈(Vera Rubin) 플랫폼과 AMD의 MI450에서 표준이 되었다. 더욱 향상되고 효율적인 HBM4E는 아직 양산에 들어가지 않았으나, 주요 제조사들의 로드맵에는 이미 등장했다.

HBM은 DRAM 칩을 3D로 적층하고 프로세서 바로 옆에 패키징하여 대역폭을 높이는 하드웨어 아키텍처다. 기술적 장점으로는 메모리와 프로세서 사이의 거리가 매우 가까워 데이터 전송 경로가 극도로 짧다는 점이 꼽힌다. 3D 적층에 사용되는 핵심 기술인 TSV(실리콘 관통 전극)는 DRAM 칩에 수천 개의 수직 전기 신호 통로를 만드는 것과 같으며, 이를 통해 전기 신호가 모든 층을 수직으로 관통할 수 있게 한다.

하드웨어 아키텍처인 HBM과 달리 CXL은 상호 연결 프로토콜이다. CXL은 CPU와 외부 장치를 연결하는 데 사용되며, 유연성과 확장성을 추구하는 동시에 통신 병목 현상을 해결하는 것을 목표로 한다. 다만 두 기술은 모두 칩이 데이터에 충분히 빠르게 접근하지 못해 사용자가 긴 응답 시간을 견뎌야 하는 문제인 '메모리 벽(memory wall)' 현상을 해결하기 위해 설계되었다는 공통점이 있다.

HBM과 비교했을 때 CXL의 강점은 거대한 메모리 용량에 있다. 데이터 전송 속도는 HBM보다 느리지만, CXL은 서버 슬롯의 제한을 우회하여 테라바이트급 메모리 용량을 제공하고 여러 프로세서 간에 메모리를 공유하는 '메모리 풀링(memory pooling)'을 가능하게 한다. HBM에 비해 비용이 저렴하고 확장이 용이해, 경제적인 대규모 메모리 솔루션으로 평가받는다.

향후 HBM과 CXL은 AI 서버에서 협력하게 될 전망이다. 고대역폭 HBM은 핵심 모델 연산에 활용되고, CXL은 고용량 메모리를 제공하여 방대한 데이터 접근을 지원하는 메모리 풀 역할을 수행할 것이다.

미래의 데이터 센터가 CXL을 필요로 하는 이유는 바로 그 기능에 있습니다. CXL은 메모리 풀링을 통해 외부 메모리 확장과 메모리 공유를 가능하게 하여, 비용을 절감하는 동시에 데이터 전송 속도의 병목 현상을 해결합니다.

기존 서버의 메모리 슬롯은 CPU에 직접 연결되어 있어 메모리가 부족할 때 유일한 선택지는 다른 서버를 구매하는 것뿐이었습니다. 하지만 CXL 기술을 사용하면 메모리를 하드 드라이브와 같은 PCIe 인터페이스를 통해 외부에 연결할 수 있어 메인보드 슬롯의 물리적 한계를 돌파할 수 있습니다. 이론적으로 서버에 충분한 PCIe 슬롯이 있다면 메모리 용량을 무제한으로 늘릴 수 있습니다.

반면, 전통적인 데이터 센터의 서로 다른 서버들은 물리적 격리로 인해 메모리를 공유할 수 없습니다. 그러나 CXL 2.0은 모든 메모리를 하나의 풀에 배치하는 메모리 풀링을 도입했습니다. CXL 스위치는 메모리가 더 필요한 서버에 실시간으로 메모리를 할당할 수 있어 자원 활용도를 높입니다. 메모리 가격이 지속적으로 상승하는 상황에서 이러한 조치는 의심할 여지 없이 비용을 크게 절감해 줍니다.

데이터 전송 속도와 관련하여, 기존 데이터 센터의 가속기 간 통신은 표준 PCIe 프로토콜을 사용하므로 데이터를 "패킷"으로 캡슐화하고 소프트웨어 스택을 통해 처리해야 하며, 이는 속도 저하와 높은 지연 시간으로 이어집니다. 그러나 CXL을 사용하면 CXL 프로토콜 기반의 메모리 일관성을 통해 가속기가 풀링된 자원에 하드웨어 수준의 읽기 및 쓰기 접근을 직접 수행할 수 있어 데이터 전송 경로가 크게 단축됩니다.

CXL의 적용이 데이터 센터 기술에 큰 도약을 가져오겠지만, 대규모 상용화에는 여전히 중요한 제약이 따릅니다. 이 기술은 데이터 센터 내의 CPU, GPU, 메모리 및 네트워크 장비가 모두 동일한 표준을 지원해야 하기 때문입니다. CXL을 위한 산업 간 생태계 조율의 복잡성은 광범위한 도입으로 가는 길에 가장 어려운 장애물로 남아 있습니다.

한경보도에 따르면 삼성전자의 CXL 메모리 시스템 "판게아 v2"는 기존 RDMA 솔루션보다 10.2배 높은 데이터 전송 역량과 최대 96%의 병목 현상 감소를 입증하며 CXL 분야의 중대한 기술적 돌파구로 평가받고 있다.

이 시스템은 인텔 (INTC) , 엔비디아 및 기타 기업들이 2020년 공동 출시한 CXL 2.0 표준을 기반으로 하며, 해당 표준은 22개의 CXL DRAM 모듈(CMM-D, 또는 CXL 기반 DRAM 메모리 모듈)을 하나의 공유 메모리 풀로 통합해 다중 서버 접속과 최대 5.5TB의 메모리 용량 지원을 요구한다.

삼성의 "판게아 v2"는 현재 CXL 2.0 시대 시스템의 정점을 상징한다. 다만 CXL 분야의 빠른 기술 혁신 속도를 고려할 때 v2의 의의는 영원한 선두로 남는 것이 아니라 CXL 2.0 기술의 벤치마크를 설정한 것에 있다.

CXL 표준은 현재 3.2 버전에 도달했으며, 삼성은 2026년 내에 최신 사양을 기반으로 한 "판게아 v3"를 출시할 계획이라고 발표했다. v3는 더욱 강력한 광통신 지원과 더 높은 단일 포트 대역폭을 도입할 것으로 기대되며, 성능 면에서 v2를 능가할 것으로 전망된다.

삼성전자 외에도 경쟁사인 SK하이닉스와 마이크론 모두 CXL 분야에서 성숙한 제품을 출시했다. 올해 3월 SK하이닉스는 CFMS 2026 글로벌 플래시 서밋에서 CMM-DDR5 CXL 메모리 모듈을 선보였으며, 그보다 앞서 CXL 운영을 위해 개발된 소프트웨어 제품군인 HMSDK를 이미 도입한 바 있다. 마이크론 또한 2023년에 CZ120 메모리 확장 모듈을 출시했다.

현재 성숙한 제품을 출시한 기술 기업은 여전히 소수에 불과하다. 앞서 언급한 기업들 외에도 여러 기술 거물들이 CXL 지원 제품을 도입했다. 일례로 인텔의 5세대 제온과 최신 그래닛 래피즈 프로세서는 CXL 2.0을 완벽히 지원하며, 특정 기능은 CXL 3.0을 지원한다. AMD (AMD)의 에픽 제노아 및 튜린 시리즈는 양산에 들어갔으며, 두 제품군 모두 CXL 메모리 확장을 지원한다.

나아가 일부 기술 기업들은 CXL 호환 칩을 개발 중이다. 엔비디아는 올해 말 출시 예정인 베라 CPU에 CXL 3.1 표준을 지원할 계획이며, 업계에서는 이를 현재까지 CXL의 가장 유의미한 실제 테스트로 평가하고 있다.

디 인포메이션(The Information)에 따르면 구글 (GOOG) (GOOGL)은 데이터 센터에 CXL 배치를 시작했으며, CPU와 대규모 외부 메모리 풀 간의 데이터 트래픽 관리를 위한 컨트롤러 설치에 착수했다.

전통적으로 메모리 산업의 핵심은 DRAM 다이(die)였으며, 일례로 HBM은 DRAM 칩을 3D로 적층하는 방식입니다. 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론 등 메모리 3대 거물 간의 이 분야 경쟁은 누가 더 많은 층을 쌓을 수 있는지에 집중되어 있습니다.

그러나 CXL은 하드웨어와 소프트웨어의 시너지가 경쟁의 핵심인 완전히 새로운 영역을 열었습니다. 이는 누구의 CXL이 인텔, AMD, 엔비디아의 프로세서와 더 잘 통합되는지, 누구의 CXL 컨트롤러가 더 낮은 지연 시간을 제공하는지, 그리고 누구의 관리 소프트웨어가 더 사용자 친화적인지에 달려 있습니다. 이를 위해 메모리 기업들은 최첨단 칩 기술뿐만 아니라 더 강력한 로직 칩 설계 역량을 갖춰야 합니다. CXL의 등장은 메모리 업계의 판도 재편 기회를 제공하며 새로운 수익 성장 동력을 도입하고 있습니다.

구체적으로 CXL은 메모리(DRAM 등)와 스토리지(SSD 등) 사이의 간극을 메워주며, 본질적으로 메모리를 더 크게 하고 스토리지를 더 빠르게 만듭니다. 메모리 3사의 경우, 이전에는 AI 데이터센터 수요에 힘입어 HBM이 높은 프리미엄을 누렸으나, CXL을 탑재한 SSD가 주류 시장을 점유하게 되면 SSD 제품 역시 이와 유사한 프리미엄을 확보할 수 있게 될 것입니다.

또한 CXL이 주류가 됨에 따라 메모리 산업은 세분화될 전망입니다. 극한의 대역폭을 추구하는 HBM은 최첨단 기술과 낮은 생산 수율로 인해 피라미드의 정점을 유지하고, 지연 시간과 용량의 균형을 맞춘 전통적인 DDR5는 기존 시장을 유지하며, CXL 확장 메모리는 테라바이트(TB)급 초거대 용량에 특화될 것입니다. 이러한 차별화는 메모리 제조사들이 특정 제품에 전문화할 수 있게 하여 전체 산업 체인의 시너지를 높여줍니다.

과거 메모리 R&D 모델은 프로세서 사양에 의해 결정되었으며, 이로 인해 반도체 분야에서 스토리지 산업의 영향력은 상대적으로 작았습니다. 하지만 CXL이 주류가 됨에 따라 미래의 데이터센터는 CPU 중심에서 메모리 풀링(memory-pooling) 중심 아키텍처로 전환될 수 있습니다. 이는 스토리지 기업의 가치 평가를 크게 높일 것이며, 업계의 밸류에이션 로직을 경기 순환주에서 성장주로 변화시킬 것입니다.

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