CPO(공동 패키지 광전자) 기술은 오랫동안 존재해 왔지만 아직 개발 단계에 있습니다. Corning Optical Communications의 광학 부품 및 통합 수석 매니저인 Andreas Matiss는 실리콘 기반 전기 광학 변환기를 실리콘 프로세서에 최대한 가깝게 배치하는 데 유리(glass)가 어떤 핵심적인 역할을 하는지 설명했습니다.

데이터 센터 네트워크는 빠르게 진화하고 있으며, 이러한 모멘텀은 AI의 부상과 AI 클러스터의 대규모 배포와 함께 가속화되었습니다. 이 분야의 최근 진전은 특히 NVIDIA의 DGX SuperPOD 아키텍처와 Google의 TPU 클러스터 배포를 통해 상당했습니다. 이러한 변화는 AI 훈련 및 추론 작업을 지원하기 위한 고성능 컴퓨팅에 대한 수요에 의해 주도됩니다. NVIDIA만 해도 향후 5년 안에 수백만 개의 AI 최적화 GPU 장치를 연간 출하할 것으로 예상되며, 2028년까지 상당한 규모에 도달할 것입니다.

이러한 네트워크를 구축하는 데 필요한 트랜시버 장치 수는 연간 수천만 개에 달할 것이며, 이러한 장치는 최대 1.6Tbps 및 3.2Tbps의 속도로 작동해야 합니다. 업계 분석가들은 각 가속기(GPU)에 향후 10개 이상의 트랜시버가 장착될 것으로 예측하며, 이는 광섬유 연결에 대한 수요가 현재 배포 수준에 비해 약 10배 증가할 것임을 의미합니다.

일반적인 데이터 센터에서 표준 플러그형 이더넷 트랜시버는 약 20와트의 전력을 소비합니다. 차세대 트랜시버는 거의 두 배의 전력을 소비할 것으로 예상됩니다. 현재 출하량을 기준으로 2024년에는 트랜시버 전원 공급에 약 200메가와트(MW)의 전력이 투입될 것으로 추산됩니다. 트랜시버 개발 궤적과 광 연결에 대한 수요가 10배 증가할 것으로 예상됨에 따라 트랜시버 전력 배치는 연간 2기가와트(GW)로 증가할 것으로 예상되며, 이는 대형 원자력 발전소에서 생산되는 전력과 같습니다. 여기에는 장치 프런트 엔드의 집적 회로에서 트랜시버로 데이터를 전송하는 데 사용되는 호스트 측 전자 장치 및 전기 리타이머에 전원을 공급하는 데 필요한 전력은 포함되지 않습니다.

예를 들어, 100만 개의 GPU가 장착된 AI 데이터 센터의 경우 CPO 기술을 도입하면 데이터 센터에서 약 150메가와트의 발전 용량을 절약할 수 있습니다. 해당 발전 시설을 구축하는 데 필요한 투자를 줄이는 것 외에도 이 기술은 운영 비용도 크게 절감합니다. 지역별 에너지 가격 차이에 따라 연간 전기 절감액이 쉽게 1억 유로를 초과할 수 있습니다. 중국에서는 '동서 컴퓨팅' 이니셔티브의 발전과 함께 슈퍼컴퓨팅 센터(예: Wuxi Sunway TaihuLight) 및 지능형 컴퓨팅 센터(예: 베이징 및 선전의 AI 컴퓨팅 클러스터)에서 고대역폭, 저전력 광 상호 연결에 대한 수요가 급증하고 있습니다. CPO 기술은 국내에서 생산된 GPU의 에너지 소비를 줄이고 효율성을 높이는 데 핵심적인 역할을 할 것으로 예상됩니다. 이러한 지속 불가능한 에너지 소비 추세에 직면하여 혁신이 중요합니다.

CPO 기술 도입

CPO는 단기적으로 이러한 에너지 소비 병목 현상을 극복할 가능성이 가장 높은 기술입니다. 이 기술은 전기 광학 변환 모듈을 전면 패널의 트랜시버에서 장치 내부로 이동하여 이상적으로는 CPU 또는 GPU 패키지 기판에 직접 통합합니다. 이렇게 하면 구리 채널의 전력 손실을 최소화하여 보다 에너지 효율적인 링크를 얻을 수 있습니다. 플러그형 트랜시버에 비해 전력 소비를 50% 이상, 경우에 따라 최대 75%까지 줄일 수 있습니다. 이러한 에너지 절약 이점은 고손실 구리 채널의 사용을 줄이는 것뿐만 아니라 전기 신호 전송 손실을 보상하는 데 필요한 디지털 신호 프로세서(DSP)를 단순화하거나 제거함으로써 달성됩니다.

요약하면, CPO 기술은 고속, 저전력, 저지연 광 연결을 제공합니다. 이러한 특성은 고급 AI 네트워크의 핵심입니다.

고려할 만한 또 다른 에너지 절약 대안은 LPO(Linear Pluggable Optical Module)입니다. DSP 칩을 제거함으로써 전력 소비와 지연 시간을 줄이면서 전면 패널 플러그형 트랜시버의 폼 팩터와 생태계를 유지합니다. CPO는 더 나은 신호 무결성과 더 낮은 지연 시간을 제공하는 반면, LPO는 특히 단거리 애플리케이션에 더 비용 효율적입니다. LPO의 비용 효율성과 저전력 소비는 빠른 시장 출시 시간과 결합되어 CPO 기술의 광범위한 채택을 지연시킬 수 있습니다.

그러나 링크 속도가 200G 이상으로 증가함에 따라 LPO는 CPO보다 더 많은 전력을 소비하고 높은 신호 품질을 보장하기가 훨씬 더 어려워집니다. 기술이 계속 발전함에 따라 CPO는 향후 선호되는 솔루션이 될 것으로 예상됩니다.

유리가 CPO 기술에 힘을 실어줍니다.
유리는 차세대 CPO 기술에서 핵심적인 역할을 할 것으로 예상됩니다. 전기 광학 변환기(주로 실리콘 포토닉스 칩)를 실제 실리콘 프로세서(CPU 및 GPU)에 최대한 가깝게 배치하려면 더 큰 기판 크기를 지원할 뿐만 아니라 실리콘 포토닉스 칩에 대한 광 연결을 가능하게 하는 새로운 패키징 기술이 필요합니다.

반도체 패키징은 전통적으로 주로 유기 기판에 의존해 왔습니다. 이러한 재료는 실리콘보다 열팽창 계수가 높아 반도체 패키지의 최대 크기를 제한합니다. 업계가 기존 유기 기술 플랫폼에서 더 큰 패키지 기판을 추진함에 따라 신뢰성 문제(예: 솔더 조인트 무결성 문제 및 박리 위험 증가) 및 제조 문제(예: 고품질 미세 피치 상호 연결 구조 및 고밀도 배선)가 점점 더 두드러지게 나타나 패키징 및 테스트 비용이 증가하고 있습니다. 그러나 최적화된 설계를 통해 유리는 실리콘 칩의 열팽창 계수와 더 가깝게 일치하여 기존 유기 기판을 능가할 수 있습니다. 이 특수 처리된 유리 기판은 뛰어난 열적 안정성을 나타내어 온도 변동 시 기계적 응력과 손상을 줄입니다. 우수한 기계적 강도와 평탄도는 칩 패키징 신뢰성을 위한 견고한 기반을 제공합니다. 또한 유리 기판은 더 높은 상호 연결 밀도와 더 미세한 피치를 지원하여 전기적 성능을 개선하고 기생 효과를 줄입니다. 이러한 특성으로 인해 유리는 고급 반도체 패키징에 매우 신뢰할 수 있고 정확한 선택이 됩니다. 결과적으로 반도체 패키징 업계는 차세대 기판 기술로 고급 유리 기판 기술을 적극적으로 개발하고 있습니다.

유리 도파관 기판
우수한 열적 및 기계적 특성 외에도 유리는 광 도파관으로 기능하도록 조작할 수도 있습니다. 유리 내 도파관은 일반적으로 이온 교환이라는 공정을 통해 생성됩니다. 유리 내 이온은 염 용액의 다른 이온으로 대체되어 유리의 굴절률을 변경합니다. 빛을 더 높은 굴절률 영역으로 제한함으로써 이러한 수정된 영역은 빛을 안내할 수 있습니다. 이 기술을 통해 도파관 특성을 정밀하게 조정할 수 있어 다양한 광학 응용 분야에 적합합니다. 결과적으로, 섬유와 유사한 구조의 광 도파관에서 빛은 통합 유리 도파관을 따라 전파되어 광섬유 또는 실리콘 포토닉스 칩에 효율적으로 결합될 수 있습니다. 이로 인해 유리는 고급 CPO 응용 분야에 매력적인 재료 선택이 됩니다.

전기적 및 광학적 상호 연결을 동일한 기판에 통합하면 대규모 AI 클러스터를 구축할 때 회사가 직면하는 상호 연결 밀도 문제도 해결하는 데 도움이 됩니다. 현재 광 채널 수는 광섬유의 기하학적 구조에 의해 제한됩니다. 즉, 일반적인 광섬유 클래딩의 직경은 127미크론으로, 사람 머리카락 두께와 같습니다. 그러나 유리 도파관은 더 조밀한 배열을 가능하게 하여 직접적인 섬유 대 칩 연결에 비해 입출력(I/O) 밀도를 크게 증가시킵니다.

전기적 및 광학적 상호 연결의 통합은 밀도 문제를 해결할 뿐만 아니라 AI 클러스터의 전반적인 성능과 확장성을 향상시킵니다. 유리 도파관의 콤팩트한 특성으로 인해 동일한 물리적 공간 내에서 더 많은 광 채널을 수용할 수 있으므로 시스템의 데이터 전송 용량과 효율성이 증가합니다. 이러한 발전은 차세대 AI 인프라 개발을 주도하는 데 매우 중요합니다. AI 시스템이 방대한 양의 데이터를 처리해야 하는 시나리오에서 고밀도 상호 연결 기술은 효율적인 관리에 핵심입니다.

유리 도파관을 통합함으로써 완전한 광학 시스템을 동일한 기판에 구축하여 광자 집적 회로가 광 도파관을 통해 직접 통신할 수 있습니다. 이 프로세스는 광섬유 상호 연결의 필요성을 없애고 칩 간 통신의 대역폭과 범위를 크게 향상시킵니다. 수많은 상호 연결된 구성 요소가 있는 고밀도 시스템에서 유리 도파관을 사용하면 개별 광섬유에 비해 신호 손실이 적고 대역폭 밀도가 높으며 내구성이 뛰어납니다. 이러한 장점으로 인해 유리 도파관은 고성능 광 상호 연결 시스템에 이상적인 선택입니다.

CPO 기술을 차세대 데이터 센터 및 AI 슈퍼컴퓨터 네트워크에 적용하면 칩 탈출 대역폭을 늘려 102T 이상의 고속, 고기수 스위치에 대한 새로운 가능성을 열 수 있습니다. 이제 네트워크 설계자는 네트워크 아키텍처를 재구상하고 재설계할 수 있는 독특한 기회를 갖게 되었습니다. 증가된 대역폭과 단순화된 네트워크 아키텍처 덕분에 우수한 네트워크 성능을 달성하여 운영 효율성 개선 및 프로세스 최적화를 추진할 것입니다.

결론
CPO 기술은 여러 수준에서 AI 상호 연결 아키텍처에 혁명을 일으킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 에너지 소비를 크게 줄이고 지속 가능성을 개선하여 AI 시스템을 더욱 환경 친화적이고 비용 효율적으로 만들 수 있습니다. 또한 CPO는 AI 시스템의 효율성과 확장성을 향상시켜 더 크고 복잡한 작업을 쉽게 처리할 수 있도록 합니다. 밀도 문제를 해결함으로써 CPO는 데이터 전송 속도를 높여 AI 구성 요소 간의 더 빠르고 안정적인 통신을 보장할 수 있습니다. 이는 또한 미래 AI 시스템의 병목 현상을 줄여 보다 원활하고 효율적인 시스템 작동을 보장하는 데 도움이 될 것입니다.

미래 AI 상호 연결은 컴퓨팅 스위치의 필요성을 없애는 직접적인 광학 링크를 도입할 것으로 예상됩니다. 이러한 혁신은 AI 작업의 대역폭을 넓히고 대규모 데이터 세트 처리의 속도와 효율성을 향상시킬 것입니다. 우수한 데이터 전송 기능과 확장성을 갖춘 유리는 이러한 기술 발전을 가능하게 하는 이상적인 재료입니다. 유리 기반 광학 링크는 차세대 AI 시스템의 중요한 인에이블러가 되어 고성능 컴퓨팅 및 고급 AI 애플리케이션을 위한 필수 인프라를 형성할 것입니다.
NEW LIGHT OPTICS TECHNOLOGY LIMITED는 모든 기회를 포착하고 기여하기 위해 노력할 것입니다.