구리선 한계 부딪힌 AI 데이터센터, 빛으로 달리는 브이씨셀에 길을 묻다

인공지능(AI) 데이터센터의 수직 확장 연산 수요가 급증하면서 오는 2031년 글로벌 수직표면발광레이저(VCSEL) 연간 수요량이 6억 5000만 개에 달할 전망이다.

대만 시장조사업체 트렌드포스는 10월 8일(현지시각) 발간한 '2027 적외선 감지·광통신 시장 트렌드' 보고서를 통해 2025년부터 2031년까지 VCSEL 시장이 연평균 38% 성장하며 단거리 광통신 모듈 시장의 핵심 동력으로 자리 잡는다고 밝혔다. 데이터 전송 속도가 초당 1.6테라비트 세대로 올라서며 기존 구리선 기반 배선이 물리적 한계에 직면하자, 신호를 빛으로 전송하는 광상호연결 기술이 데이터센터 내부망의 필수 인프라로 떠오른 결과다.


인공지능 가속기 칩 사이를 잇는 데이터 전송량이 폭증하면서 데이터센터 내부 배선의 병목 현상이 심화되고 있다. 지금까지 서버 랙 내부에서는 신호 손실을 막기 위해 다수의 리타이머 증폭 소자를 장착한 능동전기케이블이 주로 쓰였다.
그러나 전송 대역폭이 초당 1.6테라비트 세대로 격상되면서 구리선 안에서 고주파 전기 신호의 감쇠 현상이 급격히 심화되는 물리적 장벽이 발생했다. 케이블 과열과 전력 낭비가 설계 허용치를 넘어서자, 단거리 구간에서도 전기 신호를 빛으로 변환하는 광학 기술 도입이 급물살을 타기 시작했다.

이에 따라 스위치와 연산 칩 바로 옆에 광학 엔진을 밀착 실장하는 근접 패키지 광학(NPO)과 연산 기판 위에 직접 광원을 통합하는 패키지 일체형 광학(CPO)이 유력한 대안으로 압축됐다. 특히 VCSEL 기반 근접 패키지 광학은 상대적으로 전력 소모가 적고, 부품 교체와 유지보수가 쉬우며, 기존 광소자 생산라인을 활용할 수 있다는 점에서 가장 현실적인 양산 솔루션으로 평가받는다.

반면 마이크로 발광다이오드(LED) 기반 패키지 일체형 광학은 비트당 전력 소모를 극한으로 낮출 잠재력을 지녔으나, 미세 소자를 대량으로 옮겨 심는 전사 공정과 광섬유 정렬 결합 기술의 난도가 높아 상용화까지는 추가적인 기술 검증 기간이 필요하다는 분석이다.


트렌드포스 보고서에 따르면 루멘텀, 후루카와전기, 코히런트, 브로드컴, ams 오스람, 하이실리콘 등 글로벌 6개 핵심 광통신 기업이 VCSEL 기반 근접 패키지 광학 솔루션 개발을 본격화하고 있다. 기술 노선은 사용하는 빛의 파장대에 따라 둘로 나뉜다.

코히런트, 브로드컴, ams 오스람, 하이실리콘은 생산 체계가 검증된 850나노미터 파장의 VCSEL에 수광 소자인 포토다이오드를 결합해 최대 초당 3.2테라비트의 총대역폭을 구현하는 전략을 취하고 있다. 다만 파장이 짧은 특성상 전송 거리가 늘어날수록 빛이 퍼지는 색분산 현상이 발생해 추가적인 대역폭 확장에 제약이 따른다.
이와 달리 루멘텀과 후루카와전기, 그리고 추가 적용을 준비 중인 코히런트는 제조 단가가 상대적으로 높은 1060나노미터 파장 방식을 채택했다. 이 방식은 광섬유와의 결합 효율이 우수하고 색분산과 상대 강도 잡음이 극히 낮아 고온 환경에서도 안정적인 고속 전송을 지원한다.

트렌드포스는 오는 2027년부터 2028년 사이에 다양한 VCSEL 근접 광학 제품군이 상용화 단계에 진입할 것으로 전망했다. 기술 고도화 방향은 개별 VCSEL 소자의 속도를 기존 초당 100기가비트에서 200기가비트로 배가하고, 크기 100~200마이크로미터 수준의 초소형 마이크로 VCSEL 어레이를 다채널로 집적하는 고밀도화 공정에 맞춰져 있다.


근접 광학 상호연결 기술의 개화는 고다층 인쇄회로기판을 공급하는 한국 반도체 부품 생태계의 제품 단가 구조에 직접적인 영향을 미친다.

근접 광학 구조는 탈부착형 광트랜시버와 달리 가속기 칩이나 스위치 칩셋 바로 옆에 광학 엔진을 배치해야 하므로, 미세 회로 패턴 형성과 고주파 노이즈 제어 기술이 집약된 플립칩 볼그리드어레이(FC-BGA) 기판의 구조적 판가 상승을 견인한다.

삼성전기와 LG이노텍 등 대면적 초고다층 기판 양산 체계를 갖춘 한국 기업들은 기존의 단순 프로세서 기판을 넘어 광학 모듈 집적형 기판으로 고부가 수주 영역을 넓힐 수 있는 기술적 전기를 맞이한다.

다만 이 같은 기술 전환 흐름이 단기적인 실적 개선으로 이어지기까지는 거시적 변수가 존재한다. 글로벌 인공지능 서비스 기업들이 대규모 인프라 투자 대비 수익성을 점검하면서 설비투자 집행 속도를 늦출 경우, 고비용 구조를 지닌 1060나노미터 솔루션의 현장 배치 시점은 뒤로 밀릴 수 있다.

아울러 기존 구리선 진영이 저전력 리타이머 칩 성능을 끌어올려 구리 케이블의 수명을 연장할 경우 광학 패키지로의 전면 교체 주기는 예상보다 완만하게 전개될 가능성이 열려 있다. 시장의 향방은 2027년을 기점으로 본격 출하될 초당 1.6테라비트 스위치 장비의 도입 속도와 파장 표준화 경쟁의 결과에 따라 갈릴 전망이다.


김주원 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com