1.6T AI 데이터센터 CPO, 2027년 양산… 구리선 한계 넘는다

글로벌 파운드리와 팹리스 연합이 2027년 1.6Tbps급 공패키징광학(CPO) 모듈을 본격 양산해 데이터센터 전력 소비를 70% 이상 절감하는 공정 목표를 확정했다. EE타임스는 20일(현지시각) 인공지능 연산 가속기의 발열 한계를 돌파하기 위해 스위치 칩과 실리콘 포토닉스 광학 엔진을 단일 기판에 통합하는 공정 검증이 최종 단계에 들어섰다고 보도했다.

고대역폭 메모리(HBM) 적층 고도화로 칩 간 통신량이 급증한 상황에서 한국의 삼성전자와 SK하이닉스도 차세대 인터페이스에 광학 I/O 기술을 결합하는 표준화 작업에 착수했다.


인공지능 가속기 클러스터의 데이터 처리량이 급증하면서 기존 구리선 기반 전기 신호 전송 방식은 심각한 저항과 발열 문제에 부딪혔다. 스위치 칩에서 출력된 전기 신호를 구리 배선으로 수십 센티미터씩 전달하는 탈부착형 광 트랜시버 방식은 800Gbps를 넘어 1.6Tbps급 고속 구간에서 급격한 신호 감쇠를 일으킨다.
신호 왜곡을 보정하기 위해 디지털신호처리장치(DSP)를 추가하면서 데이터센터 랙 내부의 전력 소비는 한계에 도달했다. 포트 하나당 DSP가 소모하는 전력만 약 30W에 달해 냉각 인프라 유지 비용이 연산 효율을 앞지르는 역전 현상이 나타났다.

업계는 전기 배선 길이를 획기적으로 줄여 전송 손실을 차단하는 기술 개발에 집중했다. 반도체 다이 바로 옆에 광학 소자를 붙여 신호를 빛으로 변환하는 패키징 혁신이 유일한 해법으로 떠올랐다.


CPO 기술은 실리콘 포토닉스로 제작한 광학 엔진 칩렛을 연산 다이와 동일한 인터포저 위에 마이크로미터 단위로 초근접 결합한다. 전기 신호가 지나가는 도체 거리를 수 밀리미터 수준으로 단축해 신호 손실을 근본적으로 차단하는 구조다.

공정 검증 결과 1.6Tbps 모듈의 포트당 전력 소모는 종전 30W에서 9W 수준으로 70% 감소했다. 데이터 1비트를 전송할 때 소비되는 에너지는 기존 15피코줄(pJ)에서 5피코줄 이하로 떨어져 전송 효율이 3배 이상 개선됐다.

TSMC는 3차원 하이브리드 본딩 기술인 쿠페(COUPE) 플랫폼을 바탕으로 엔비디아, 브로드컴과 함께 1.6T 모듈 시제품 생산에 돌입했다. 광인터넷포럼(OIF)과 유시이에(UCIe) 컨소시엄도 이종 칩렛 간 통신 규격을 통일하며 양산 기반을 완성했다.

CPO 대량 양산 성패는 열에 취약한 레이저 소자의 수명 관리와 광 결합 수율 확보에 달려 있다. 업계는 고온 연산 칩에서 광원을 분리해 랙 외부에 설치하는 외장 레이저 소스(ELS) 구조를 채택해 부품 교체 편의성을 높였다. 반면 외부 광섬유와 칩을 연결하는 정밀 조립 공정에서 발생하는 광 손실을 1데시벨(dB) 이내로 억제해야 하는 기술 과제는 여전히 남아 있다.

이 기술 변화는 한국 메모리와 패키징 가치사슬 전반에 걸쳐 직접적인 파장을 미친다. 삼성전자와 SK하이닉스는 차세대 HBM4 및 CXL(컴퓨트 익스프레스 링크) 모듈에 실리콘 포토닉스를 융합하는 설계 검증을 추진하고 있다.

한국 패키징과 테스트 소부장 기업들은 광학 다이 정밀 실장 기술을 선제적으로 확보해야 하는 상황이다. 다만 글로벌 파운드리가 광학 칩렛 패키징 생태계를 독점할 경우 한국 후공정 기업들의 참여 공간이 축소될 수 있어 광학 검사 장비 국산화 투자가 시급하다.

2027년 1.6T CPO 양산은 데이터센터의 통신망 구조를 구리에서 빛으로 바꾸는 중대한 전환점이다. 고효율 광학 패키징 기술 확보 여부가 향후 인공지능 인프라 시장의 주도권을 가를 핵심 변수다.


김주원 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com