LPO vs. CPO: 차세대 데이터 센터 광 상호 연결을 지배할 기술은 무엇인가요?

데이터 센터가 성장하면서 속도와 효율성이 데이터 센터 발전의 핵심 요소가 되었습니다. 이러한 배경에서 광 상호연결 기술의 경쟁은 치열한 단계에 접어들었습니다. Laser Phase-Locked Oscillator (LPO) 및 Coherent Phase-Locked Oscillator (CPO)는 이 분야의 선도 기술이 되었습니다. 이 글에서는 데이터 센터 광 상호연결에서 이 두 기술의 핵심 역할을 더 잘 이해할 수 있도록 두 기술의 다양한 특징, 장점 및 과제를 자세히 분석합니다.

CPO와 LPO의 부상

기존 10Gb 광 모듈의 전력 소비는 약 1 W(구리 모듈은 약 2 W)입니다. 그러나 400G 및 800G 광 모듈이 도입되면서 전력 소비는 30 W까지 급격히 치솟습니다. 더 심각한 것은 광 모듈 수가 수십 개에 이르면(예: 48개 모듈의 경우 총 전력 소비가 48 × 30 = 1440 W에 달할 수 있음), 그 전력 소비가 전체 장비 총 전력 소비의 40% 이상을 차지하는 경우가 많다는 점입니다. 광통신 장치의 에너지 소비 급증은 데이터 센터에, 특히 에너지 비용 측면에서 엄청난 압박을 가져왔습니다. 이는 무시할 수 없는 문제가 되었습니다. 따라서 전력 소비를 효과적으로 줄이고 에너지를 절약하는 방법은 업계의 시급한 문제가 되었습니다.

이 때문에 CPO 및 LPO 솔루션이 등장했으며, 현재 광 모듈 업계에서 빠르게 두 가지 뜨거운 주제가 되었습니다. 오늘날 많은 공급업체는 이러한 기술 혁명의 물결에서 주도권을 잡기 위해 관련 기술의 개발과 배치를 가속화하고 있습니다.

CPO란 무엇인가요?

CPO, 즉 Co-Packaged Optics는 광학 장치와 스위칭 칩을 결합한 최첨단 기술입니다. 기존의 플러그형 광 모듈을 없애고 광 엔진과 스위칭 칩을 더 가깝게 배치합니다. 이는 결과적으로 두 구성 요소 사이의 전기 신호 속도를 높여 전반적인 성능을 향상시킵니다.CPO 솔루션은 기존 광 모듈보다 더 작고 에너지 효율이 높아 훌륭한 선택입니다.

CPO 기술 개발

CPO 기술의 발전은 구체적으로 두 단계로 나눌 수 있습니다:

Phase I: Near-Package Optics (NPO) 기술

CPO 기술이 완전히 성숙하기 전에는 NPO 기술이 더 편리한 전환 프로그램입니다. 비교적 짧은 기간에 저비용과 저전력 소비의 이점을 제공하며, 초기 시스템 개발 및 배포에 특히 적합합니다.

2단계: CPO 기술

이는 네트워크 비용과 전력 소비를 최소화하도록 설계된 최신 형태의 실리콘 포토닉 스위칭 기술입니다. CPO 솔루션에서는 광 엔진과 스위칭 칩이 동일한 모듈에 긴밀하게 패키징되어 전체 시스템 성능과 에너지 효율을 향상시킵니다.

실제로 광 엔진은 주로 스위칭 네트워크에서 광/전기 변환을 담당합니다. 가장 일반적인 형태는 플러그형 모듈이지만, 기술이 계속 발전함에 따라 새로운 제품 형태가 등장하고 있습니다. CPO 형태는 스위칭 칩과 광 엔진을 단일 슬롯에 통합하는 반면, NPO는 이를 동일한 시스템 보드에 별도로 배치합니다. 둘 다 광전자 모듈을 활용하지만, 패키지 위치와 케이블링 거리의 차이로 인해 전력 소비와 효율 성능이 다릅니다.

CPO의 이점

트래픽과 속도의 급증을 처리하는 데 공간 최적화와 에너지 효율성이 핵심인 첨단 통신 인프라를 상상해 보세요. CPO 기술을 결합하면 더 빠르고 안정적인 통신을 달성하는 동시에 네트워크 기술이 스마트하고 에너지 효율적으로 성장할 수 있는 공간을 마련할 수 있습니다. CPO의 주요 이점은 다음과 같습니다:

향상된 신호 무결성

CPO는 전기 신호의 전송 거리를 줄여 신호 무결성을 향상시키며, 이는 그만큼 많은 신호 보상이 필요하지 않다는 의미입니다. 이러한 발전은 PCB 설계의 유연성을 높일 뿐만 아니라 전반적인 성능을 최적화하여 설계 자유도와 효율성을 높입니다.

컴팩트한 설계, 높은 통합도

CPO 기술은 광자 및 전자 부품을 동일한 패키지에 통합하므로, 이는 광 모듈과 전자 칩을 별도로 패키징하는 기존 방식에 비해 시스템 크기를 크게 줄입니다. 이러한 소형화는 공간의 모든 인치가 중요한 고밀도 집적 회로에서 특히 중요합니다.

지연 시간 감소

CPO는 CMOS 공정을 사용하여 전자 장치와 광학 장치를 통합함으로써 전력 소비를 크게 줄이고 기존 LPO 기술의 효율을 향상시킬 수 있습니다. 광 모듈과 전자 칩이 모두 동일한 프레임에 패키징되어 있으므로 신호 전송 경로가 크게 단축되어 별도의 패키징 방식에 비해 지연 시간이 줄어듭니다.

LightCounting의 2022년 12월 보고서에 따르면, HPC(high performance computing)를 위한 네트워크 속도 수요는 이미 현재 속도보다 10배 이상 높습니다. 이러한 수요를 배경으로, CPO는 기존 플러그형 광 모듈 아키텍처의 전력 소비를 50% 줄여 고속 및 고밀도 상호 연결 전송 문제를 효과적으로 해결할 것으로 예상됩니다. 한편, 국내 공급업체들도 CPO 기술의 지속적인 발전과 성숙을 촉진하기 위해 CPO 기술을 적극적으로 연구 개발하고 있습니다.

LPO란 무엇인가요?

LPO(Linear Drive Pluggable Optics)는 광섬유 모듈에 직접 구동 선형 기술을 적용한 솔루션을 의미합니다. 기존 광 모듈 설계와 달리 LPO는 DSP(Digital Signal Processors) 및 CDR(Clock Data Recovery)과 같은 일반적인 레거시 구성 요소를 제거하여 시스템 전력 소비와 지연 시간을 효과적으로 줄입니다. 이 설계는 에너지 효율적이고 성능이 뛰어나다는 장점이 있지만, 몇 가지 절충점도 있습니다. 우선 오류 수정 능력이 가장 뛰어난 편은 아니며, 다른 시스템만큼 먼 거리까지 전송할 수 없습니다. 따라서 LPO 기술은 데이터 센터 내부와 같은 단거리 통신에 더 적합합니다. 특히 매우 빠른 속도가 필요하고 100% 무오류가 필요하지 않은 경우에 적합합니다.

기존 플러그형 광 모듈은 일반적으로 낮은 BER을 보장하기 위해 고속 신호 처리를 DSP 칩에 의존하지만, 이는 더 높은 전력 소비도 초래합니다. 다음의 경우 400G 광 모듈, 예를 들어, 7nm DSP의 전력 소비는 약 4W로, 전체 모듈 전력 소비의 거의 절반을 차지합니다. 이에 비해 LPO는 이러한 추가 구성 요소를 생략하여 전력 소비를 줄이지만, 전송 거리와 오류 수정 기능이 감소하는 대가가 따릅니다.

LPO의 장점

Linear Drive Pluggable Optics (LPOs)는 광 상호 연결 분야에서 여러 가지 이점을 제공하여 데이터 센터 연결성을 개선하고 현대 네트워크의 요구를 충족하는 데 이상적입니다. 아래는 LPO 기술의 주요 이점 몇 가지입니다:

핫스왑 및 간소화된 유지보수

CPO와 달리, LPO는 광학 부품의 기존 모듈식 설계를 유지하므로 간섭이 적고 유지보수가 쉬운 솔루션입니다. CPO 시스템의 부품 하나가 고장 나면 일반적으로 전체 스위치를 분해해야 하므로 유지보수에 골칫거리가 됩니다. 그러나 LPO는 핫스왑을 지원하므로 시스템 작동을 중단하지 않고 고장 난 모듈을 더 편리하게 교체할 수 있어 다운타임을 최소화합니다.

지연 시간 감소

LPO는 기존의 디지털 신호 프로세서(DSP)를 사용하지 않으므로 복잡한 신호 저감 과정이 필요하지 않습니다. 이 설계는 시스템 처리 오버헤드를 훨씬 낮추며, 이는 지연 시간을 효과적으로 줄입니다. 이는 HPC에서의 GPU 간 통신처럼 매우 낮은 지연 시간이 필요한 상황에서 특히 중요합니다.

비용 절감

DSP에 의존하지 않음으로써 LPO는 전력 소비와 전체 운영 비용을 효과적으로 절감합니다.DSP 기술은 현재 소수의 기업(예: Broadcom 및 Inphi)이 주도하고 있어 고비용의 자원이 제한된 전문 분야입니다.LPO가 DSP에 의존하지 않는다는 점은 이러한 희소 자원에 대한 필요성을 줄이는 데 도움이 되며, 이는 결과적으로 공급망의 다각화 기회를 열고 시장 경쟁력을 향상시킵니다.

업스트림 칩 제조업체부터 스위칭 공급업체, 최종 사용자에 이르기까지 모든 관계자가 LPO(Linearly Driven Pluggable Optics) 기술 개발 및 적용에 높은 관심을 보이고 있다는 점은 사업 전망이 매우 유망하다는 것을 시사합니다. OFC 2023에서 Macom 및 Broadcom과 같은 업계 선도 기업들은 자사의 선형 구동 솔루션을 선보이며 이 기술의 추세를 더욱 강조했습니다. 한편, Arista가 도입한 선형 구동 솔루션은 Innovium 및 NVIDIA를 포함한 주요 스위치 공급업체들로부터 인정받았으며, 이는 최첨단 네트워킹 애플리케이션에서 LPO 기술의 막대한 가치에 대한 업계의 공감대를 반영합니다.

CPO vs. LPO: 데이터 센터 광 인터커넥트를 지배할 기술은 무엇인가?

LPO 기술은 단거리 애플리케이션과 같은 특정 시나리오에 맞춤화된 전략적 선택을 나타냅니다. LPO는 DSP/CDR과 같은 레거시 구성 요소를 사용하지 않아 BER 측면에서 약간의 성능 절충이 있을 수 있지만, 이로 인해 제공되는 전력, 비용 및 지연 시간 이점은 상당합니다. CPO와 달리 LPO는 특정 애플리케이션에서 효율성과 비용 절감을 강조하므로 고유한 강점과 약점을 가지고 있습니다.

LPO 기술은 CPO보다 조금 늦게 등장했지만, 시장에서 더 빠른 속도로 보급될 것으로 예상됩니다. CPO와 LPO의 차이점은 아래 표에 나와 있습니다:

CPO의 향후 전망과 과제

CPO의 미래 시장은 유망합니다

CPO 기술은 광 인터커넥트의 밀도를 높이기 위한 새로운 방향을 제시하며 100T 이상의 애플리케이션에 상용화될 것으로 예상됩니다. LightCounting에 따르면 CPO 출하량은 800G 및 1.6T 포트부터 시작되어 2024년에서 2025년 사이에 상용화될 것으로 예상됩니다. 2026년부터 2027년까지 CPO 출하량은 하이퍼스케일 클라우드 서비스 제공업체를 위한 단거리 데이터 통신 시나리오에서 크게 증가할 것으로 예상되며, 시장 수요도 크게 성장할 것으로 예상됩니다. CIR은 CPO 시장의 총 매출이 2027년까지 54억 달러에 이를 것으로 예상합니다.

전 세계 판매량 기준으로 CPO 포트 수는 2023년 50,000개에서 2027년 450만 개로 증가할 것으로 예상됩니다. 2027년까지 CPO 포트는 800G 및 1.6T 범주의 출하량에서 거의 30%를 차지할 것으로 예상됩니다. Yole의 보고서에 따르면 CPO 시장은 2022년에 약 3,800만 달러의 매출을 창출할 것이며, 2033년까지 연평균 성장률(CAGR) 46%로 26억 달러까지 성장할 것으로 예상됩니다.

CPO의 과제

CPO 기술은 첨단 광 인터커넥트에 새로운 가능성을 제공하지만, 기술 성숙도, 시장 채택의 시급성, 비즈니스 모델 측면에서 여전히 과제에 직면해 있습니다. CPO가 데이터 센터 광 인터커넥트 분야에서 주류 솔루션이 되려면 이러한 문제를 효과적으로 해결해야 합니다.

기술 경로 및 성숙도: 코히어런트 위상 고정 발진기(CPO) 기술은 아직 개발 초기 단계에 있으며, 그 기술 경로는 추가 개선이 필요합니다. CPO의 미래는 매우 밝지만, 아직 광범위한 적용 수준에 도달하지 못했으며 더 많은 실제 사례와 경험을 축적하는 데 시간이 필요합니다. 반면, 기존 플러그형 광 모듈 여전히 시장을 지배하고 있으며, CPO가 이를 대체하여 주류 솔루션으로 자리 잡기까지는 몇 년이 걸릴 수 있습니다.

도입의 긴급성: 3.2T 광 모듈 시대에는 CPO 기술에 대한 폼 팩터 및 크기 요구 사항이 높았습니다. 그러나 현재 1.6T 시대에는 플러그형 광 모듈이 여전히 성숙한 주류 솔루션을 제공하며, 8x200G 구성은 이미 대부분의 산업 요구를 충족합니다. 더 빠른 CPO 솔루션에 대한 현재 수요는 긴급하지 않으며, 이는 시장에서 CPO의 빠른 출시를 늦출 수 있습니다.

비즈니스 모델 과제: CPO 기술의 구현에는 대규모 실리콘 포토닉스 기술 보유가 필요하며, 이는 그 개발이 관련 기술의 R&D 및 생산 역량에 크게 의존하게 됨을 의미합니다. 특정 제조업체에 대한 의존은 CPO 기술의 광범위한 적용에 주요 장애물이 될 수 있습니다. 첫째, 실리콘 포토닉스 기술 보유와 제조 공정의 복잡성으로 인해 CPO 생산 및 R&D가 소수 제조업체의 손에 집중되었습니다. 이러한 의존은 시장에서 기술 독점의 출현으로 이어질 수 있으며, 이는 다시 다양한 공급업체의 경쟁력과 기술 혁신에 영향을 미칩니다. 또한 단일 공급업체에 지나치게 의존하면 기술 개발이 제한되고, 공급망의 불확실성이 증가하며, 최종 사용자가 CPO 솔루션을 선택할 때의 유연성과 자유도에 영향을 미칠 수 있습니다.

CPO 기술은 큰 잠재력을 보이지만, 기술 성숙도, 시장의 시급성 및 관련 비즈니스 모델 구축과 관련한 과제에 여전히 직면해 있습니다.

LPO 개발 전망 및 과제

LPO 산업의 진전: 국내외 병행 발전

LPO 기술은 새로운 광 상호 연결 솔루션으로, 2024년 말까지 대량 생산을 달성할 것으로 예상됩니다. 이 기술이 계속 발전함에 따라 주요 글로벌 공급업체들은 이미 관련 제품을 출시했습니다. Macom, Semtech, MaxLinear와 같은 선도 공급업체들은 기술 개발에서 상당한 진전을 이루었으며, Broadcom도 자체 LPO 솔루션을 적극적으로 추진하고 있습니다. 업계 전문가들은 북미 클라우드 서비스 제공업체의 컴퓨팅 리소스 수요가 증가함에 따라 Microsoft, Meta, AWS, Google과 같은 대기업들이 데이터 전송 효율을 높이고 지연 시간을 줄이기 위해 LPO 솔루션을 점진적으로 채택할 것이라고 보고 있습니다.

LPO의 과제

LPO는 광 상호 연결에 큰 잠재력을 보여주고 있지만, 개발에는 여전히 여러 과제가 있습니다. LPO 기술이 시장에서 선호되려면 이러한 문제를 해결하는 것이 필수적입니다. 다음은 LPO가 개발 과정에서 직면할 가능성이 높은 주요 과제 중 일부입니다.

협업 요구 사항: LPO 배포에는 LPO 공급업체와 스위치 제조업체 간의 긴밀한 협업이 필요합니다. 광 모듈 제조업체는 업계 전반의 협업과 혁신을 촉진하기 위해 기술을 업그레이드하고 상류 및 하류 공급망 간의 긴밀한 조율을 보장해야 합니다.

짧은 전송 거리: LPO는 DSP 구성 요소를 제거하도록 설계되어 BER이 높아지고 신호가 전송될 수 있는 거리가 제한됩니다. LPO는 장거리 전송 시 기존 광 모듈만큼 안정적이지 않을 수 있습니다. 초기에는 LPO가 몇 미터에서 수십 미터 이내의 연결을 설정할 수 있으며, 향후 전송 거리는 최대 500M까지 확장될 수 있습니다. 이 문제를 해결하려면 전송 거리를 최적화하고 시스템의 오류 정정 메커니즘을 강화하는 것이 중요합니다.

표준화는 초기 단계에 있습니다: LPO의 표준화 프로세스는 아직 초기 단계에 있으며, 기술의 상호 운용성은 특정 어려움에 직면할 수 있습니다. 현재 LPO는 단일 공급업체의 폐쇄형 시스템에 더 적합합니다. 다중 공급업체 프로그램을 채택하고 내부 통합 역량이 부족한 경우, 시스템 비호환성과 책임 분담 문제가 발생할 수 있습니다. 이 경우 기존 DSP 기반 솔루션이 여전히 더 유리할 수 있습니다.

전기 채널 설계의 한계: LPO는 시스템 측 전기 채널 설계에 더 높은 요구 사항을 부과합니다. 현재 SerDes는 주로 112G 사양을 사용하며 향후 224G로 업그레이드될 것으로 예상됩니다. 그러나 LPO 기술은 향후 224G SerDes의 전송 요구 사항을 충족하지 못할 수 있으며, 이는 향후 대규모 데이터 전송 애플리케이션에서 성능을 제한할 수 있습니다.

결론적으로, LPO 기술은 많은 잠재력과 장점을 가지고 있지만, 위의 과제를 극복하고 광범위한 적용을 실현하려면 더 많은 기술 혁신과 산업 협력이 필요합니다.

결론

선형 구동 플러그형 광학 장치(LPO)와 공동 패키지 광학 장치(CPO)가 데이터 센터 상호 연결 기술의 미래 트렌드로 부상하고 있지만, 플러그형 광 모듈은 여전히 업계의 표준 솔루션입니다. 데이터 센터에서 더 높은 성능과 더 낮은 지연 시간에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 QSFPTEK와 같은 공급업체들은 800G 플러그형 Ethernet 및 InfiniBand 모듈을 출시했습니다. 이러한 모듈은 초당 최대 800기가비트의 데이터 속도를 제공할 수 있어 HPC 애플리케이션에 중요한 대역폭 지원을 제공합니다. 앞으로 기술이 더욱 발전하고 업계가 새로운 기술을 채택함에 따라, 특히 하이퍼스케일 데이터 센터와 고성능 컴퓨팅 애플리케이션에서 CPO와 LPO가 기존 플러그형 광 모듈을 점진적으로 대체할 수 있습니다.