실리콘 포토닉스(SiPh) 트랜시버란 무엇이며 기존 모듈과의 차이점은 무엇입니까?

데이터 센터 속도가 800G, 나아가 1.6T로 발전함에 따라 Silicon Photonics (SiPh)로 알려진 기술이 광 모듈 기술의 전환을 가속화하고 업계 지형을 재편하고 있습니다. 그렇다면 Silicon Photonics 트랜시버란 정확히 무엇일까요? 그리고 기존 광 모듈과 어떤 근본적인 방식에서 다를까요?

실리콘 포토닉스 기술의 발전

1969년 미국 Bell Laboratories의 집적 광학 제안부터 Intel과 같은 기업들이 Silicon Photonics 분야에 진입하기 시작해 기술적 돌파구를 촉진한 21세기 초까지, SiPh는 점차 산업화와 기술 가속화 단계로 이동했습니다. 2008년 이후 Luxtera와 Intel을 포함한 기업들이 상용 실리콘 포토닉 집적 제품을 출시하기 시작하면서, SiPh 칩의 시장 진입이 공식화되었습니다. 이는 400G 및 800G 모듈.

실리콘 포토닉스 기술의 발전은 크게 네 단계로 나눌 수 있습니다. 첫 번째 단계는 실리콘 기반 소재를 사용해 광통신용 기본 구성 요소를 제조하여 개별 광학 구성 요소를 점진적으로 대체하는 것입니다. 두 번째 단계에서는 집적 기술이 하이브리드 집적에서 모놀리식 집적으로 발전하며, 다양한 구성 요소가 결합되어 단일 칩에서 서로 다른 기능을 구현합니다 – 이것이 SiPh 기술의 현재 상태입니다. 향후 세 번째 단계에서는 광전자 기술의 융합을 통해 완전한 광전자 집적을 달성할 것으로 예상됩니다. 그리고 네 번째 단계에서는 장치를 매트릭스 형태로 배열된 여러 실리콘 유닛으로 분해하여, 맞춤형 프로그래밍을 통해 프로그래밍 가능한 기능을 구현하고, 그 결과 프로그래밍 가능한 칩을 만들게 됩니다.

실리콘 포토닉스 광 모듈 개요

SiPh Optical Transceiver란 무엇입니까?

SiPh 광 트랜시버 Silicon Photonics 기술을 기반으로 한 광 모듈입니다. 실리콘 포토닉 모듈을 이해하기 전에 먼저 Silicon Photonics 기술이 무엇인지 명확히 할 필요가 있습니다. 

SiPh는 기존 CMOS 제조 공정을 활용하여 SiGe/Si 및 SOI와 같은 실리콘 및 실리콘 기반 기판 재료를 사용해 광학 장치를 개발하고 통합하는 차세대 기술입니다.

실리콘 포토닉 모듈의 핵심 개념은  "전기를 빛으로 대체하는 것"으로, 데이터 전송에 전기 신호 대신 레이저 빔을 사용한다는 의미입니다. Silicon Photonics는 SiPh 광 트랜시버 내의 광학 구성 요소와 전자 요소를 하나의 독립적인 마이크로칩에 통합하여, 광 신호 처리와 전기 신호 처리의 심층 통합을 가능하게 하고 궁극적으로 진정한 광 인터커넥트를 실현합니다.

실리콘 포토닉스 설계의 장점

첫째, 광 모듈의 광범위한 사용이 필요한 데이터 센터의 경우 SiPh 모듈의 가장 큰 장점은 여전히 낮은 비용입니다.

인터넷 산업의 발전과 함께 광 모듈에 대한 수요는 점점 더 소형화와 고성능으로 이동하고 있습니다. 소형화 추세에서 기존 광 모듈은 전송 속도를 높이려 할 때 성능 저하가 증가하는 문제에 직면합니다. Silicon Photonics 트랜시버는 기존 모듈에서 다중 채널로 인해 발생하는 전력 소비와 같은 성능 병목 현상을 극복할 뿐만 아니라 레이저 비용도 절감합니다.

기존 모듈 비용에서 포토닉 칩은 전체 비용의 약 40%를 차지하고, 레이저는 대략 20%를 차지합니다. 레이저 비용을 75% 절감하면 전체 모듈 비용을 약 15% 줄일 수 있습니다. Silicon Photonics 기술을 활용하면 변조기와 수동 광 경로를 단일 칩에 고도로 집적할 수 있어 칩 비용을 크게 절감할 수 있습니다.

낮은 전력 소비는 SiPh 설계의 또 다른 장점입니다. 데이터 전송을 위해 기존 전기 신호를 광 신호로 대체함으로써, Silicon Photonics 기술은 고속 상호 연결 중 저항 손실 및 신호 감쇠로 인해 발생하는 에너지 소비를 효과적으로 줄입니다. 

세 번째 장점은 높은 집적도와 소형화입니다. SiPh 설계는 CMOS 기술을 활용하여 변조기, 검출기, 도파관과 같은 여러 광학 구성 요소를 단일 실리콘 포토닉 칩에 통합함으로써 더 작은 크기, 더 높은 밀도, 단순화된 패키징, 향상된 신뢰성을 제공합니다.

실리콘 포토닉스 트랜시버의 단점

Silicon Photonics 모듈은 다양한 측면에서 장점이 있지만, 현재 기술 수준에서는 여전히 과제에 직면해 있습니다. 이러한 장치는 실리콘 도파관과 광섬유 간의 결합 효율이 낮고, 손실이 높으며, 단거리에서 중거리 전송에만 적합합니다. 또한 실리콘 기판에 III-V 화합물 재료를 통합할 때 두 재료 간의 호환성 문제가 발생하여 SiPh 칩의 웨이퍼 수율이 낮아집니다. 마지막으로, 현재 400G 미만의 데이터 속도에서는 비용상의 이점이 없습니다.

실리콘 포토닉스 모듈의 응용 분야

Silicon Photonics modules는 단거리, 고대역폭 시나리오에 매우 적합합니다. AI data centers의 GPU clusters에는 800G 또는 심지어 1.6T interconnects가 필요합니다. Silicon Photonics modules의 낮은 전력 소비와 높은 밀도는 TCO를 줄일 수 있습니다. 또한 CPO technology는 Silicon Photonics engines와 switch chips의 무거리 패키징을 가능하게 하여 latency를 더욱 줄이고 AI training의 low-latency 요구를 충족합니다.

SiPh 모듈 vs 기존 트랜시버 모듈, 차이점은 무엇인가요?

기술 아키텍처 및 소재

기존 광 모듈의 주류 기술 경로는 "하이브리드 집적"이며, 여기서 일부 핵심 광학 장치는 여전히 III-V 화합물 반도체를 기반으로 합니다. 예를 들어, 레이저에는 InP가 사용되고 변조기에는 GaAs 또는 LiNbO3가 사용됩니다. 이러한 재료는 광학 정렬을 포함한 복잡한 조립 공정이 필요하며, 상당한 수작업 개입을 수반합니다. 100G 기존 모듈을 예로 들면, 네 개의 25G 레이저, 네 개의 변조기, 멀티플렉서/디멀티플렉서를 포함해 10개 이상의 구성 요소를 정렬하고 패키징해야 하며, 30개 이상의 공정 단계를 거칩니다.

Siph 모듈은 실리콘을 기반으로 사용하며 CMOS 반도체 공정을 통해 실리콘 웨이퍼 위에 광 도파로, 변조기, 검출기 및 기타 구성 요소를 식각하여 단일체 집적을 실현합니다. 이 공정은 CPU 제조와 호환되며 Intel과 같은 기업의 성숙한 생산 라인을 대량 생산에 활용할 수 있어 제조 단계를 60% 줄이고 규모 확대에 막대한 잠재력을 제공합니다.

 (출처: Broadcom)

통합 밀도 및 모듈 크기

classic optical modules의 통합은 material 및 precision 문제로 인해 방해받습니다 – data rate를 두 배로 늘리려면 거의 두 배 많은 components를 결합해야 합니다. 예를 들어, conventional 400G module은 8개의 50G channels로 구성되어 있으며, 이는 100G module보다 훨씬 큽니다. 1U switch에서는 최대 32개의 traditional 400G modules를 배치할 수 있어 space utilization을 한계까지 밀어붙입니다.

SiPh 모듈은 광 집적 기술을 활용하여 수십 개의 광학 부품을 1cm² 실리콘 칩에 집약합니다. 예를 들어, 800G Silicon Photonics 모듈은 손톱 크기의 핵심 칩에 8개의 100G 채널을 통합합니다. 이러한 고밀도 특성 덕분에 1U 스위치는 64개의 800G 포트를 배치할 수 있어 대역폭 밀도를 두 배로 높이고 데이터 센터의 고대역폭 요구를 완벽하게 충족합니다.

비용 및 확장성

기존 광 모듈은 대부분 수동으로 정렬, 패키징 및 테스트되며, 특히 정밀도 요구 사항이 매우 높은 고속 제품의 경우 비용이 지속적으로 높게 유지됩니다. 이러한 기술적 접근 방식은 더 높은 데이터 전송률로 확장하려고 할 때 한계에 직면합니다.

반면, 실리콘 포토닉 모듈의 제조 공정은 성숙한 CMOS 집적 회로 공정과 호환됩니다. 이를 통해 기존의 대규모 반도체 공급망을 활용하여 대량의 표준화된 생산을 달성할 수 있습니다. 기술이 성숙 단계에 도달하면 실리콘 포토닉 모듈은 상당한 비용 절감 잠재력을 제공하며, 더 높은 데이터 전송률과 더 복잡한 기능으로 더 쉽게 발전할 수 있어 뛰어난 확장성을 제공합니다.

성능 특성

기존 광 모듈 기술은 성숙하여 안정적이고 신뢰할 수 있는 성능을 제공하며, 초장거리 전송과 같은 특정 적용 시나리오에서는 여전히 대체할 수 없는 장점을 가지고 있습니다. Silicon Photonics 모듈은 전력 소비와 통합 측면에서 상당한 장점이 있습니다. 그러나 레이저는 여전히 외부 커플링이 필요하며, 이는 기술적 과제 중 하나입니다. 그럼에도 CPO 기술의 발전으로 전력 소비와 지연 시간을 더욱 줄일 수 있으며, 이는 바로 미래의 초대형 데이터 센터에 필요한 것입니다.

1.6T 실리콘 포토닉스가 양산에 들어갈까요?

인공지능의 폭발적인 성장으로 고속 광 모듈에 대한 수요가 급증했습니다. Silicon Photonics 기술이 더 간소화된 제품 아키텍처를 제공하는 것과 맞물려, 선도적인 광 모듈 제조업체들은 지속적인 투자를 유지하면서 Silicon Photonics 칩 및 관련 기술에서 상당한 기술 전문성을 축적해 왔습니다. 그 결과, Silicon Photonics 기술 기반 모듈은 데이터 센터에서 점점 더 선호되고 있습니다. Silicon Photonics 공급망이 계속 성숙함에 따라, 1.6T SiPh 모듈은 2025년경 대규모 구축 단계로 나아갈 것으로 예상됩니다. 또한 1.6T Silicon Photonics 광 모듈의 양산은 단일 기술의 돌파구에 그치는 것이 아니라, 광 칩, 전기 칩, 패키징 공정, 재료 과학, 열 관리 등 일련의 첨단 기술을 포함하는 시스템 수준의 조율된 돌파구라는 점에 주목해야 합니다. 이는 또한 1.6T 시장에서 경쟁할 수 있는 제조업체 수가 800G 시대보다 현저히 적어지고, 산업 진입 장벽이 크게 높아질 것임을 의미합니다.

실리콘 포토닉스 트랜시버의 미래 시장

Yole Intelligence의 최신 예측에 따르면, Silicon Photonics 모듈 시장은 빠른 성장 단계에 진입하고 있습니다. 2029년까지 전 세계 Silicon Photonics 모듈 매출은 $10.3 billion에 이를 것으로 예상됩니다.

그중 데이터 센터용 플러그형 Silicon Photonics 모듈이 가장 큰 비중을 차지하며, 예상 매출은 약 $5.3 billion으로 전체 시장의 52%를 나타냅니다. WDM 애플리케이션용 Silicon Photonics 모듈은 약 $4.6 billion의 매출을 창출해 시장의 45%를 차지할 것으로 예상됩니다. 또한 데이터 센터 광 I/O 인터페이스, NPO & CPO 아키텍처, 통신 무선 및 기타 애플리케이션과 같은 시장 부문도 점차 확대되고 있으며, 함께 $200 million 이상의 시장 매출에 기여하고 있습니다.

Yole 데이터에 따르면 출하량 기준으로 전 세계 Silicon Photonics 모듈 출하량은 2024년에 이미 거의 600만 대에 도달했으며, 2025년에는 1,250만 대를 넘어설 것으로 예상되고 2029년까지 1,800만 대에 이를 가능성이 있습니다.

결론

실리콘 포토닉스 광 모듈은 포토닉스와 CMOS 기술의 강점을 결합하여 더 낮은 비용, 더 높은 집적도, 향상된 열 및 대역폭 성능을 가능하게 합니다. 고성능 컴퓨팅, 대규모 AI 학습 및 통신 상호 연결의 요구를 해결하기 위한 핵심 솔루션이 되고 있습니다.