2026년 'CPO 광반도체' 본격 상용화...엔비디아·TSMC·브로드컴 기술 주도권 경쟁

인공지능(AI) 데이터센터의 병목 현상을 해결할 차세대 광학 연결기술 시장이 본격 성장 궤도에 진입한다. 반도체 칩 간 데이터 전송 속도를 크게 높이면서 전력소비는 대폭 줄이는 공동포장광학(CPO·Co-Packaged Optics) 기술이 오는 2026년부터 대규모 상용화를 시작한다. 시장조사기관들은 CPO 시장이 2036년까지 200억 달러(약 28조 원)를 넘어설 것으로 전망한다.

아이지웨이는 15일(현지시각) 즈광반도체가 발표한 보고서를 인용해 AI 컴퓨팅 수요 증가로 CPO 시장이 2026~2027년 본격 출하 단계에 진입할 것이라고 보도했다. 시장조사기관 IDTechEx는 CPO 시장이 2026년부터 2036년까지 연평균 37%씩 성장해 200억 달러를 돌파할 것으로 분석했다.


CPO 기술은 광학엔진을 반도체 칩과 직접 통합하는 방식이다. 기존 플러그형 광학 모듈은 스위치 칩과 광학엔진 사이의 전기 신호 경로가 길어 전력소비가 크고 신호 손실이 심했다. CPO는 이 거리를 밀리미터 단위로 줄여 전력소비를 비트당 15피코줄에서 5피코줄로 낮췄다. 업계는 앞으로 1피코줄 이하까지 낮출 수 있을 것으로 기대한다.

시장조사기관 리서치앤마켓은 CPO 시장 규모가 2026년 6억 300만 달러(약 8700억 원)에서 2032년 29억 달러(약 4조 1800억 원)로 성장할 것으로 전망했다. 연평균 성장률은 29.7%에 달한다. AI 대형언어모델 학습에서 수백만 개의 고속 연결이 필요한데, 전기 방식 연결은 주파수와 거리가 늘어날수록 손실이 급격히 증가하는 한계에 부딪혔다.
라이트카운팅은 광학 트랜시버용 레이저와 광집적회로 판매액이 2023년 24억 달러(약 3조 4600억 원)에서 2029년 59억 달러(약 8조 5200억 원)로 늘어날 것으로 내다봤다. AI 데이터센터 수요가 주요 성장 동력이라는 분석이다.


CPO 시장에서는 변조기 기술을 둘러싼 경쟁이 치열하다. 엔비디아는 마이크로링공진변조기(MRM) 방식을 채택했다. 에너지 효율과 집적도가 높지만, 제조 정밀도 요구사항이 까다롭다. 엔비디아는 지난 1월 공개한 스펙트럼-6 이더넷 스위치에 CPO 기술을 적용했다. 200G 직렬-역직렬화(SerDes) 기술과 CPO를 결합해 102.4Tbps 스위칭 용량을 구현했다. 전력 효율은 기존 대비 5배 향상됐고 안정성은 10배 높아졌다고 엔비디아는 밝혔다.

브로드컴은 마하-젠더변조기(MZM) 방식을 선택했다. 기술 안정성과 광대역 특성이 우수하다. 브로드컴의 토마호크6 스위치는 MZM 변조기와 외부 플러그형 광원을 사용해 102.4Tbps 대역폭을 구현한다.

마벨은 맞춤형 XPU(확장형 처리장치) 시장에 집중한다. 3차원 실리콘포토닉스 엔진을 출시하고 통합 광원 방식을 선호하며 초저지연을 강조한다. 인텔은 통합 광원과 MZM 변조기를 사용해 광입출력(OIO) 칩렛과 광학 상호연결을 구현한다.

CPO 기술 구현에서 첨단 반도체 패키징 기술이 핵심 역할을 한다. TSMC의 COUPE(Compact Universal Photonic Engine) 플랫폼이 업계 표준으로 자리잡는다. COUPE는 수직 결합 구조를 최적화해 대량생산에 적합하다. 브로드컴을 비롯 주요 기업들이 TSMC COUPE 플랫폼을 채택하면서 3차원 통합과 하이브리드 본딩 기술 중요성이 커졌다.

CPO 기술 도입으로 기존 광통신 산업 공급망이 재편된다. 가치 중심이 광학 모듈 제조업체에서 첨단 반도체 설계 기업과 파운드리로 이동하는 추세다. TSMC와 ASE 같은 웨이퍼 파운드리와 패키징·테스트 업체의 영향력이 커진 반면, 기존 광학 모듈 제조업체들은 사업 전환 압박을 받는다.

클라우드 서비스 업체들의 전략도 엇갈린다. 메타와 마이크로소프트는 개방형 표준을 적극 지지한다. 구글과 아마존웹서비스(AWS)는 신중한 태도를 보이거나 독자 전략 개발을 검토한다. 업계 관계자들은 2025년 1.6Tbps 플러그형 모듈이 주류가 된 데 이어 2026년 엔비디아 루빈 플랫폼에 CPO 기술이 도입되면서 업계 판도가 바뀔 것으로 전망한다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com