18개월 만에 50배 이상 폭등한 카이오의 역대급 반전
작자: 두친(DQ)
지난 기사에서 우리는 이 플래시 메모리 업계 거물의 비극적인 저점기를 심층적으로 분석한 바 있다. 도시바 메모리의 과거 영광을 이어받았음에도 불구하고 ‘시기적절하지 못한’ 상황에 처했고, 자본시장은 냉담한 태도를 보이며 IPO는 막판에 좌초됐다. 산업의 한파 속에서 연이은 대규모 적자를 기록했으며, HBM 시장의 폭발적 수요도 놓치는 불운을 겪었다. 서부 데이터(Western Digital)와의 협력도 결국 실패로 돌아갔다…… 외부에서는 카이오시아(Kioxia)가 반도체 산업의 대규모 재편 속에서 ‘손에 쥐기 어려운 감자’로 여겨졌다.
그러나 불과 1년여 만에 카이오시아는 진정한 ‘서사시적 역전극’을 펼쳤다. AI 대규모 모델의 급속한 확산으로 인해 저장장치 시장의 논리가 근본적으로 전환되면서, 카이오시아는 단순히 역전을 넘어 자본시장과 기술 양면에서 폭발적인 성장을 달성했다.
카이오시아의 상장 이후 주가 추이
자본시장의 초현실적 신화
카이오시아는 2024년 말 도쿄 증권거래소(TSE)에 성공적으로 상장했으나, 초기 시장 가치는 약 8천억 엔(약 50억 달러) 수준에 머물렀다. 그러나 AI 관련 저장장치 수요가 폭발적으로 증가함에 따라, 카이오시아는 상장 후 18개월 만에 사상급 역전을 이뤄냈다. 주가는 18개월 동안 50배 이상 급등했으며, 특히 2026년 한 해 동안만 8배 상승했다.
현재 카이오시아의 시가총액은 51조 엔(약 481조 원)을 돌파했고, 일본 제조업의 상징이자 전통적 시가총액 1위 기업인 도요타 자동차를 여러 차례 앞질렀으며, 일본 주식시장 전체에서 시가총액 1위 기업이 되었다.
카이오시아가 발표한 2026 회계연도 1분기(4–6월) 실적 예측에 따르면, 단일 분기 영업이익은 1조 3천억 엔(약 81억 달러)에 달할 것으로 전망되며, 전년 동기 대비 약 30배 증가한다. 순이익 역시 8,690억 엔을 기록할 것으로 예상되며, 이는 전년 대비 48배 증가한 수치이다. 단 한 분기 실적이 2025 회계연도 전체 순이익 예측치를 이미 초과하는 것이다.
주요 고객사들이 장기 공급 계약을 경쟁적으로 체결하면서, 카이오시아의 2026년 NAND 생산 능력은 이미 전량 매각 완료되었고, 공급 부족 현상은 2027년까지 지속될 것으로 예상된다. 시장은 카이오시아의 올해 영업이익률이 60%를 넘을 것으로 전망하며, 이는 글로벌 메모리 산업 역사상 최고 수준의 수익성을 기록하게 된다. 또한, 주주들에게 주식 분할 및 배당 등 다양한 수익 환원 방안이 도입될 것이라는 기대감 속에서 목표 주가가 20만 엔까지 상승할 것이라는 전망도 나오고 있다.
이번 급등세는 저점기에 카이오시아를 끝까지 지지했던 모기업 베인 캐피털(Bain Capital)과 간접 최대 주주인 SK하이닉스에게도 상상 이상의 투자 수익을 안겨주었다.
영국 파이낸셜 타임스 보도에 따르면, AI 열풍 덕분에 베인 캐피털이 2018년 도시바 메모리(현 카이오시아) 인수에 성공한 거래는 사상 최고 수익률을 기록한 프라이빗 이쿼티(PE) 거래 중 하나가 되었다. 베인 캐피털은 대부분의 지분을 매각함으로써 이미 수익을 실현했으며, 총 수익은 150억 달러를 넘어서고, 투자 수익률은 약 20배에 달한다. 베인 캐피털 산하의 주요 프라이빗 이쿼티 펀드는 약 80억 달러 이상의 이익을 확보한 것으로 추정된다.
SK하이닉스는 2018년 한국·미국·일본 연합 투자단을 통해 도시바 메모리에 총 3,950억 엔(당시 약 3.9조 원)을 투자했다. 현재 이 연합 투자단은 카이오시아 지분의 18%를 보유하고 있으며, 카이오시아 주가 급등으로 인해 SK하이닉스는 막대한 시장 평가 이익을 확보하게 되었다. 시장은 이 연합 투자단의 최종 수익이 700억 달러를 훨씬 상회할 것으로 예상한다.
한때 ‘손에 쥐기 어려운 감자’였던 기업이 순식간에 ‘슈퍼 ATM’으로 변모한 것이다.
지금까지 AI 혜택은 주로 GPU 및 HBM 기업인 엔비디아와 SK하이닉스 등에 집중되어 왔다. HBM은 AI 학습(Training) 분야의 스타 기술이지만, NAND는 AI 추론(Inference), 모델 저장, 데이터 레이크(Data Lake), 엔터프라이즈급 SSD 및 온라인 근접 저장(Nearline Storage) 분야에서 희귀 자원으로 부상하고 있다. 시장은 카이오시아의 2027 회계연도 순이익이 2조 8,389억 엔에 달할 것으로 전망하며, 전년 대비 5.1배 증가할 것으로 예상한다.
3D NAND — 카이오시아의 생존 근간
카이오시아(KIOXIA)는 35년 이상 전에 NAND 플래시 메모리를 발명했으며, 2007년에는 BiCS FLASH 3D 플래시 메모리를 출시했다. 이는 수직 적층, 수평 축소, 웨이퍼 본딩, 선택 게이트 최적화, 첨단 패키징 기술을 통합한 3D 플래시 메모리 기술 체계이다.
3D NAND의 기본 개념은 2D NAND과 달리, 셀을 평면상에서만 미세화하는 것이 아니라 마치 고층 건물을 짓듯이 저장 셀을 수직 방향으로 적층하는 것이다. 카이오시아는 이를 매우 생동감 있게 설명한다: “기존 방식은 단층 건물인데, 땅 면적이 제한되어 있다. 3D NAND은 같은 면적에 다층 아파트를 지어 더 많은 ‘거주자’를 수용하는 것과 같다.”
BiCS FLASH의 핵심은 대량 생산 공정 기술에 있다. 그 공정 로직은 다음과 같다: 먼저 판상 전극과 절연층을 번갈아 적층하고, 수직 방향으로 일괄적으로 다수의 구멍을 뚫은 다음, 이 구멍 내부에 전하 저장막과 기둥형 전극을 채워 넣는다. 판상 전극과 기둥형 전극이 교차하는 지점이 바로 하나의 저장 셀이 된다. 여기서 알 수 있듯이, 카이오시아의 BiCS FLASH는 전통적인 ‘층당 개별 셀 제작 방식’이 아니라, 먼저 구조를 적층한 후 ‘펀치 앤 플러그(Punch and Plug)’ 방식으로 다층을 한 번에 관통하여 셀을 형성한다. 따라서 적층 수가 증가하더라도 제조 비용이 완전히 선형적으로 증가하지 않아, 3D NAND의 추가 적층이 경제적으로 유리해진다.
카이오시아가 공개한 BiCS FLASH의 상용화 로드맵에 따르면, BiCS FLASH 제품은 2015년에 48단 적층으로 상용화되었고, 이후 96단, 112단, 162단으로 단계적으로 진화해왔다. 2023년 3월 기준, 200단 이상의 적층 기술이 실현되었다.
그중 8세대 BiCS FLASH는 중요한 전환점이다. 카이오시아는 8세대 제품이 218개의 워드라인(word-line)을 적층하며, 1Tb TLC 제품의 저장 밀도가 18.3Gb/mm²에 달한다고 밝혔다. 또한 외부 데이터 전송 속도는 3.2Gbps, 읽기 시간은 40μs, 프로그래밍 처리 속도는 205MB/s에 이른다.
카이오시아의 8세대 BiCS FLASH는 단순히 162단에서 218단으로 적층 수를 늘리는 것을 넘어, 두 가지 핵심 기술을 도입했다:
CBA(CMOS directly Bonded to Array): CBA는 외부 CMOS 제어 회로와 저장 어레이를 별도로 제조한 후 웨이퍼 본딩으로 결합하는 방식이다. 기존에는 CMOS 회로와 저장 어레이를 동일한 웨이퍼 위에서 제조했으나, 두 요소는 각각 최적의 공정 조건을 필요로 한다. 저장 어레이는 전하 저장 및 적층 구조에 적합한 공정을, CMOS 회로는 논리 제어, 전기적 성능 및 속도에 초점을 맞춘 공정을 요구하기 때문에 동일 웨이퍼에서 동시에 제조하면 서로 타협해야 하는 한계가 있었다.
CBA 방식은 CMOS 웨이퍼와 저장 어레이 웨이퍼를 각각 독립적으로 제조하고, 각각 최적화된 공정을 적용한 후 정밀하게 본딩하는 것이다. 이 방식의 이점은 비트 밀도 향상, NAND I/O 속도 향상, 저장 어레이에 과거 CMOS 제약으로 인해 사용되지 못했던 고온 공정의 적용 가능, 인접 저장 셀 간 전기적 간섭 감소 등이다.
OPS(On Pitch Select Gate): OPS는 저장 어레이 내부 공간 낭비 문제를 해결한다. 기존 구조에서는 저장 셀 사이에 실제 데이터 저장에 사용되지 않는 ‘더미(dummy)’ 영역이 존재하는데, 이 영역은 용량에 기여하지 않으면서도 면적을 차지한다. 카이오시아의 OPS 기술은 선택 게이트 및 절연 격리 구조를 재배열함으로써 이러한 무효 영역을 줄이거나 제거하여, 동일한 면적에 더 많은 유효 저장 셀을 배치할 수 있도록 한다. 카이오시아는 OPS 기술을 통해 불필요한 더미 영역을 제거함으로써 동일 공간 내에 더 많은 실제 저장 셀을 수용할 수 있어, 저장 밀도를 크게 향상시킬 수 있다고 설명한다.
9세대 BiCS FLASH는 주로 512Gb 및 1Tb TLC 제품을 대상으로 하며, 중·저용량 영역에서 고성능 및 저전력이 요구되는 응용 분야를 위한 것이다. 이 세대는 CBA 및 OPS 기술을 계속 활용하여 생산 효율을 개선하고 보다 진보된 플래시 솔루션을 제공한다. 즉, 9세대는 적층 수 증가보다는 성능, 전력 소비, 비용, 생산 효율의 균형을 중시한다.
반면 10세대 BiCS FLASH는 미래의 대용량·고성능 수요에 더욱 초점을 맞추고 있다. 카이오시아는 10세대 제품이 9세대와 동일한 CMOS 기술을 사용하면서도 저장 적층 수를 332단까지 확대해, 8세대 대비 약 1.5배 증가시켰다고 밝혔다. 이를 통해 비트 밀도와 전력 효율을 향상시키는 것이다.
전공정 외에도 카이오시아는 후공정 패키징 역량 강화에도 주력하고 있다. 공식 자료에 따르면, 카이오시아는 하나의 패키지 내에 32개의 2Tb 다이(die)를 적층해 총 8TB 용량의 플래시 메모리를 개발했다. 이는 웨이퍼 박막화, 소재 설계, 와이어 본딩 등 첨단 후공정 기술에 의존한다. 이 32-다이 적층 기술은 높이 2mm 이하의 패키지 내에 32개의 2Tb 다이를 조립하여 8TB 플래시 솔루션을 구현한다.
3D NAND에서 3D DRAM으로 — 카이오시아의 새로운 도박
카이오시아는 ‘순수 NAND 제조사’라는 단일 제품 라인의 한계를 깨는 비밀무기도 보유하고 있다. 그렇다면 왜 카이오시아는 3D DRAM을 개발하려는가? 그 이유는 DRAM 역시 NAND가 과거 직면했던 평면 미세화 한계에 도달했기 때문이다. 그리고 3D NAND 분야의 오랜 노하우를 갖춘 카이오시아는 이미 검증된 공정 우위를 가지고 있다.
기존 DRAM을 계속 미세화하려면 몇 가지 난관에 직면한다: 저장 커패시터를 더 작게 만들기 어렵고, 접근 트랜지스터의 누설 전류가 증가하며, 데이터 유지 시간이 단축되고, 리프레시 주파수가 높아지며, 용량이 커질수록 리프레시 전력 소비도 증가한다. imec의 한 기술 종합 보고서에서도 전통적 DRAM의 1T1C 구조가 미세화, 비용, 전력 효율 측면에서 도전 과제를 안고 있으며, 특히 큰 커패시터가 3D 집적 경로를 제한하고, 트랜지스터가 작아질수록 누설 경로가 명확해져 리프레시 전력 소비가 증가한다고 지적했다.
2024년 12월, 카이오시아는 OCTRAM(Oxide-Semiconductor Channel Transistor DRAM, 즉 ‘산화물 반도체 채널 트랜지스터 DRAM’) 기술을 개발했다고 발표했다. 이는 산화물 반도체 트랜지스터로 구성된 새로운 4F² DRAM으로, 높은 턴온 전류와 극도로 낮은 턴오프 전류를 동시에 구현한다. 이 기술은 카이오시아와 남아공업(Nanya Technology)이 공동 개발했으며, 2024년 IEEE IEDM에서 발표되었다.
OCTRAM 전체 구조도 (출처: 카이오시아, 이하 동일)
기존 DRAM 셀은 일반적으로 1T1C 구조, 즉 하나의 접근 트랜지스터와 하나의 커패시터로 구성된다. 이 구조의 문제점은 셀을 계속 미세화할 경우 커패시터를 작게 만드는 것이 점점 더 어려워지고, 트랜지스터의 누설 전류로 인해 리프레시 전력 소비가 증가한다는 것이다. 카이오시아의 OCTRAM은 InGaZnO 트랜지스터를 이용해 누설 전류를 낮추고, 셀 구조를 더 높은 밀도로 설계하려는 시도이다.
InGaZnO 수직 트랜지스터의 단면 TEM 이미지
InGaZnO 트랜지스터는 광대역 갭과 높은 전자 이동도를 특징으로 하여, 이론적으로 극도로 낮은 누설 전류와 높은 턴온 전류를 동시에 달성할 수 있다. 카이오시아는 접촉 전극 재료 및 스페이서 두께를 최적화함으로써 실험적으로 15μA 이상의 턴온 전류와 10⁻¹⁸A 이하의 초저 누설 전류를 실현했다(아래 그림 참조). DRAM 전력 소비의 상당 부분은 리프레시에서 발생한다. 누설 전류가 낮을수록 데이터 유지 시간이 길어지고, 리프레시 부담도 줄어든다. 따라서 OCTRAM의 핵심 가치는 저누설 산화물 반도체 트랜지스터를 통해 DRAM의 리프레시 전력을 낮추는 데 있다.
(a) 개발된 InGaZnO 트랜지스터의 턴온 전류 특성 및 (b) 턴오프 전류 특성
2025년 9월, 카이오시아는 OCTRAM 관련 신뢰성 연구 결과를 추가로 발표했는데, 주요 초점은 25nm 이하의 게이트 올 어라운드(Gate-All-Around) 수직 InGaZnO 트랜지스터의 TDDB(Time-Dependent Dielectric Breakdown, 시간 의존적 유전체 파괴) 수명 문제였다. TDDB란, 트랜지스터 절연층이 장기간 전기장에 노출됨에 따라 점진적으로 열화되어 결국 고장에 이르는 현상을 의미한다. 카이오시아는 이 수명 열화가 두 가지 요인에서 비롯됨을 밝혔다: 첫째는 크기 미세화로 인한 내재적 요인, 둘째는 제조 공정으로 인한 외재적 요인이다. 공정을 최적화하여 외재적 열화를 줄임으로써, TDDB 수명을 10년 이상 확보했다고 밝혔다.
2025년 12월, 카이오시아는 3D DRAM에 한층 가까운 핵심 진전을 발표했다: 고적층 가능한 산화물 반도체 채널 트랜지스터를 개발하여, 수평 트랜지스터 8층 적층을 성공적으로 구현했으며, 턴온 전류는 30μA 이상, 턴오프 전류는 1aA(즉, 10⁻¹⁸A) 이하를 달성했다.
현재까지 카이오시아의 3D DRAM은 여전히 선두 연구 단계이며, 상용화 제품은 아니다.
카이오시아는 전통적인 DRAM 거대 기업은 아니지만, 3D NAND 분야에서 축적한 적층 공정, 소재 집적, 어레이 제조 역량을 바탕으로 차세대 3D DRAM 탐색에 진입할 수 있는 입구를 확보할 수 있을 것이다. 반도체 엔지니어링(Semiconductor Engineering)도 카이오시아의 이 3D DRAM 경로가 NAND에서 성숙한 산화물/질화물 적층 능력을 활용해 비용 효율적인 비트 스케일링을 달성하고, IGZO 채널을 도입해 열적 열화 문제를 완화한다고 분석했다.
단, 반드시 강조해야 할 점은 카이오시아의 3D DRAM은 HBM이 아니다는 것이다. HBM은 패키지 수준의 3D 기술로, 이미 제조된 DRAM 다이를 쌓는 방식이며, GPU 근처의 고대역폭 문제를 해결한다. 반면 카이오시아의 3D DRAM은 소자/셀 수준의 3D 기술로, DRAM 셀 자체의 지속적인 미세화 문제를 해결하려는 것이다. 따라서 카이오시아는 HBM를 직접 추격하는 것이 아니라, 보다 근본적인 3D DRAM 소자 기술 경로를 탐색하고 있는 것이다. 이 경로가 미래에 성숙한다면, AI 시대의 대용량·저전력 작업 메모리에 새로운 기술 분기를 열 수 있을 것이다.
비록 3D DRAM은 아직 상용화까지는 상당한 시간이 남아 있다. 현재로서는 당장 수익을 창출하는 제품 라인이기보다는, 미래를 위한 기술 진입권과 같은 의미가 더 크다. 그러나 카이오시아에게 이 ‘진입권’은 결코 사소한 의미가 아니다. 단기적으로는 AI로 인한 NAND 회복을, 중기적으로는 고층 BiCS FLASH 개발을, 장기적으로는 3D DRAM에 대한 베팅을 통해, 3D 적층 역량을 NAND에서 DRAM으로 확장하는 전략을 추진하고 있다.
맺음말
거액의 적자와 합병 교착 상태에서 시작해, 2026년 도요타를 제치고 일본 시가총액 1위에 등극한 초현실적 신화까지, 카이오시아의 롤러코스터 같은 여정은 반도체 메모리 산업의 잔혹함과 매력을 고스란히 담고 있다. 단일 제품 라인, HBM 시장 놓치기 등의 이유로 자본시장에서 외면당했으나, AI 대규모 모델이 촉발한 ‘방대한 데이터 흐름’의 쓰나미 속에서 NAND 플래시 메모리에 대한 집념을 지켜냄으로써 자신만의 황금시대를 맞이했다.
카이오시아의 역전은 일본 반도체 산업이 진정으로 부활했다고 단정하기엔 아직 이르다. 하지만 분명한 것은, 반도체 산업에서 저점이 반드시 퇴출을 의미하지는 않는다는 사실이다. 기술 자산이 살아 있는 한, 주기, 자본, 수요의 재배열은 언제든지 잊혀진 기업을 다시 테이블 중심으로 되돌려놓을 수 있다는 점을 카이오시아가 입증해 보였다.
카이오시아에게 앞으로 가장 중요한 과제는, 열광적인 자본의 추종과 냉혹한 산업 주기 사이에서 장기적인 균형을 어떻게 찾아내느냐는 것이다. 이 균형이 성공적으로 이루어질 경우, 일본 반도체 부흥의 희망을 담은 이 유일한 싹은 AI 초대규모 주기 속의 순간적 꽃놀이가 아니라, 진정한 ‘메모리 신제국’의 시작을 알리는 신호가 될 것이다.
*면책사항: 본 기사는 저자의 창작물입니다. 기사 내용은 저자의 개인적 견해를 반영하며, 반도체 산업 관찰(Semiconductor Industry Watch)은 해당 견해를 전달하기 위해 이 기사를 인용하였을 뿐, 이에 대해 동의하거나 지지하지 않습니다. 이에 대한 어떠한 이견이 있으신 경우, 반도체 산업 관찰로 문의하시기 바랍니다.
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