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AI 시대의 찐 광기 기술, 실리콘 포토닉스가 바꿀 반도체의 미래
주요 특징과 장점, 그리고 기술적 배경은 다음과 같습니다.
1. 등장 배경: 전기 신호의 한계 극복 현재 데이터센터는 방대한 데이터를 처리하면서 GPU와 메모리 간, 혹은 서버 간의 통신 병목 현상을 겪고 있습니다. 기존에는 구리선 기반의 전기 신호를 사용해 왔으나, 데이터 전송 속도가 빨라질수록 신호 손실이 발생하고 전력 소모와 발열이 심해지는 문제가 있습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 전송 속도가 빠르고 손실이 적은 '빛'을 이용하는 방식이 대두되었고, 이를 칩 레벨에서 구현하기 위해 CPO 기술이 도입되었습니다.
2. 기술적 구조와 원리
- 구조의 변화: 기존 방식(Pluggable)은 광 트랜시버가 스위치 장비의 끝부분(Faceplate)에 위치하여 칩셋과 물리적 거리가 멀었습니다. 반면, CPO는 칩셋 바로 옆에 광학 엔진(Optical Engine)을 배치하여 한 패키지 안에 통합합니다.
- 전기 신호 경로 단축: 칩과 광학 부품 사이의 거리를 획기적으로 줄여 전기 신호가 이동하는 경로를 최소화합니다. 이를 통해 전기 신호로 인한 전력 소모와 신호 손실을 줄이고, 나머지 구간은 광신호(광섬유)를 통해 데이터를 전송합니다.
3. 핵심 장점
- 전력 효율성: 기존 방식 대비 전력 소모를 적게는 30%에서 많게는 50%까지 줄일 수 있어 데이터센터의 전력 문제 해결에 핵심적인 기술로 평가받습니다. 일부 자료에서는 전력 효율이 3.5배까지 개선된다고 보고 있습니다.
- 데이터 처리 속도 및 용량: 신호 손실을 최소화하여 대역폭을 넓히고 데이터 전송 지연(Latency)을 줄일 수 있습니다. 레인당 200Gbps 이상의 초고속 전송이 가능해집니다.
- 소형화: 기존의 부피가 큰 광 트랜시버 모듈을 칩 형태로 집적하기 때문에 시스템의 크기를 줄이고 밀도를 높일 수 있습니다.
4. 시장 현황 및 전망
- 주요 기업: 엔비디아(NVIDIA), TSMC, 인텔, 브로드컴, AMD 등이 이 기술을 적극적으로 개발하고 있습니다. 특히 엔비디아는 차세대 AI 칩 플랫폼인 '루빈(Rubin)'부터 CPO 기술을 적용한 스위치를 도입할 계획입니다.
- 상용화 시점: 현재는 초기 단계이며, 엔비디아가 제품을 출시하는 내년(2025년) 혹은 2026~2027년경부터 본격적으로 시장이 성장할 것으로 예상됩니다. 삼성전자 또한 2027년 상용화를 목표로 하고 있습니다.
요약하자면, CPO는 AI 시대의 데이터 폭증에 대응하기 위해 칩과 광 통신 부품을 한집에 살게 하여(패키징) 전기 신호의 이동 거리를 줄이고, 이를 통해 속도는 높이고 전력 소모는 획기적으로 낮추는 기술입니다.
1. 데이터 폭증 시대, 구리 배선의 비극적 종말
우리는 지금 인공지능(ai)이라는 거대한 파도 위에 서 있습니다. 챗GPT와 같은 생성형 ai의 등장으로 데이터 처리량은 기하급수적으로 늘어났고, 이는 곧 데이터 센터와 반도체 칩 내부에서 엄청난 양의 정보가 오가야 함을 의미합니다. 하지만 이 폭발적인 데이터 전송 요구를 기존의 구리(Copper) 배선 기술이 더 이상 감당하기 어렵다는 비극적인 현실에 직면했습니다. 구리 배선은 데이터 전송 속도가 빨라질수록 발열과 전력 손실이 급격히 증가하는 근본적인 한계를 가지고 있기 때문입니다.
특히 ai 가속기나 고성능 컴퓨팅(HPC) 환경에서는 칩과 칩, 혹은 칩 내부의 코어 간에 초당 수 테라바이트(TB)에 달하는 데이터를 지연 없이 주고받아야 합니다. 구리 배선은 이 과정에서 발생하는 저항과 간섭 때문에 속도와 거리에 제약을 받게 됩니다. 마치 고속도로에 차량이 너무 많아 정체가 발생하는 것처럼, 데이터 병목 현상은 ai 시대의 발목을 잡는 가장 큰 걸림돌이 되고 있습니다. 이 문제를 해결하지 않고서는 ai의 무한한 잠재력을 온전히 실현하기 어렵습니다.
2. 빛으로 데이터를 쏘다: 실리콘 포토닉스의 등장
이러한 구리 배선의 한계를 돌파하기 위해 등장한 혁신적인 기술이 바로 실리콘 포토닉스(Silicon Photonics, SiPh)입니다. 실리콘 포토닉스는 전자가 아닌 '빛(광자)'을 이용해 데이터를 전송하는 기술로, 기존의 전기 신호 전송 방식을 광 신호 전송 방식으로 대체합니다. 이 기술의 핵심은 반도체 칩 위에 광학 부품들을 집적하여, 데이터가 빛의 속도로 이동할 수 있는 '광학 고속도로'를 구축하는 것입니다.
실리콘 포토닉스는 크게 두 가지 핵심 요소로 구성됩니다. 하나는 전기 신호를 빛 신호로, 또는 그 반대로 변환하는 전자 집적 회로(eic, Electrical Integrated Circuit)이고, 다른 하나는 빛을 생성, 변조, 전송하는 광 집적 회로(pic, Photonic Integrated Circuit)입니다. 이 두 회로를 실리콘 기판 위에 통합함으로써, 데이터 전송 과정에서 발생하는 발열과 전력 소모를 획기적으로 줄일 수 있습니다. 빛은 구리보다 훨씬 적은 에너지로 더 먼 거리를, 훨씬 빠른 속도로 이동할 수 있기 때문에, 이는 ai 시대의 데이터 병목 현상을 해소할 궁극적인 해결책으로 주목받고 있습니다.
3. 반도체 거인들의 치열한 광(光) 경쟁
실리콘 포토닉스 기술은 이미 반도체 업계의 새로운 격전지가 되었습니다. 특히 파운드리(반도체 위탁생산) 분야의 양대 산맥인 tsmc와 삼성전자는 이 기술을 선점하기 위해 치열하게 경쟁하고 있습니다. tsmc는 이미 2024년 하반기부터 실리콘 포토닉스 기술을 적용한 칩 생산을 시작할 계획을 발표하며 공격적인 행보를 보이고 있습니다. 이는 tsmc가 ai 칩 시장의 선두 주자인 엔비디아 등 주요 고객사의 요구에 발맞춰 차세대 패키징 기술을 빠르게 도입하겠다는 의지를 보여줍니다.
이에 맞서 삼성전자 역시 실리콘 포토닉스 기술 개발에 박차를 가하고 있습니다. 삼성은 2027년경에 이 기술을 자사의 첨단 패키징 솔루션에 도입하는 것을 목표로 하고 있습니다. 특히 삼성은 칩렛(Chiplet) 구조와 hbm(고대역폭 메모리) 기술을 결합하는 과정에서 실리콘 포토닉스를 활용하여 데이터 전송 효율을 극대화하려는 전략을 구사하고 있습니다. 이처럼 파운드리 기업들이 실리콘 포토닉스를 차세대 기술 로드맵의 핵심으로 삼는 것은, 이 기술이 미래 반도체 성능을 결정짓는 핵심 요소가 될 것임을 방증합니다.
4. CXL, HBM, 그리고 데이터 센터의 혁신
실리콘 포토닉스는 단순히 칩 내부의 전송 속도를 높이는 것을 넘어, 컴퓨팅 환경 전반에 걸쳐 혁신을 가져올 잠재력을 지니고 있습니다. 대표적으로 cxl(Compute Express Link)과 hbm 기술과의 시너지가 기대됩니다. cxl은 cpu, gpu, 메모리 간의 연결을 표준화하고 효율화하는 기술인데, 여기에 실리콘 포토닉스가 적용되면 메모리와 프로세서 간의 데이터 전송 거리가 늘어나고 속도는 더욱 빨라져 시스템 설계의 유연성이 극대화됩니다.
또한, hbm과 같은 고성능 메모리 스택을 프로세서와 연결할 때 발생하는 전력 소모와 발열 문제도 실리콘 포토닉스를 통해 상당 부분 해소될 수 있습니다. 궁극적으로 이 기술은 데이터 센터의 구조 자체를 바꿀 것입니다. 현재 데이터 센터는 엄청난 전력 소모와 냉각 비용에 시달리고 있는데, 광통신 기반의 실리콘 포토닉스가 도입되면 전력 효율이 높아지고, 데이터 센터 내부의 서버 간 연결(Interconnect) 거리가 확장되어 더욱 유연하고 거대한 컴퓨팅 클러스터 구축이 가능해집니다. 이는 ai 학습과 추론 속도를 비약적으로 향상시키는 기반이 될 것입니다.
5. 미래를 위한 투자: 인력 양성과 생태계 구축
실리콘 포토닉스는 ai 시대의 반도체 패러다임을 바꿀 '게임 체인저'임이 분명합니다. 이 기술이 가져올 미래는 고성능 컴퓨팅, 자율주행, 양자 컴퓨팅 등 첨단 산업 전반에 걸쳐 막대한 파급력을 가질 것입니다. 따라서 대한민국이 이 기술 경쟁에서 우위를 점하기 위해서는 기술 개발뿐만 아니라 인력 양성과 생태계 구축에 대한 전폭적인 투자가 필수적입니다.
실리콘 포토닉스는 반도체 공정 기술과 광학 기술, 그리고 통신 기술이 융합된 고도의 복합 기술입니다. 이 분야의 전문 인력을 양성하기 위해서는 대학과 연구기관에서 융합 교육 프로그램을 강화하고, 정부 차원의 연구개발(R&D) 지원을 확대해야 합니다. 또한, 국내 팹리스(Fabless) 기업들이 이 기술을 활용하여 혁신적인 제품을 개발할 수 있도록 테스트베드와 인프라를 제공하는 것도 중요합니다. 실리콘 포토닉스라는 새로운 광(光)의 시대를 선도하기 위한 국가적 차원의 전략적 투자가 지금 절실한 시점입니다.