공동 패키지 광학(CPO)이란? 기술 개요 및 향후 시장 동향

공동 패키징 광 모듈(CPO)의 등장은 데이터 센터와 고성능 네트워크의 운영 방식을 점차 변화시키고 있습니다. 이는 대역폭 밀도, 에너지 소비, 미래 확장성이라는 피할 수 없는 여러 과제를 해결합니다. CPO는 광학 및 전자 부품을 직접 함께 패키징하는 동시에 전기 링크 길이를 단축함으로써 상호 연결 대역폭과 에너지 효율을 향상시킵니다. 이러한 설계는 데이터 센터 트래픽이 급증함에 따라, 특히 인공지능과 고성능 컴퓨팅의 수요가 계속 증가하는 상황에서 점점 더 중요해지고 있습니다.

기존 플러그형 광 모듈과 비교할 때, CPO는 높은 데이터 속도에서 더 큰 이점을 보여줍니다. 이전에는 모듈 속도를 높이면 필연적으로 전력 소비가 증가했습니다. 그러나 CPO 솔루션은 전력 소모를 줄입니다—초기 테스트에서는 30%에서 50%의 감소가 나타났습니다. 칩 온 패키지(CoP) 기술 및 3D-IC 패키징의 발전과 결합되어, 광학 부품과 실리콘 웨이퍼의 통합이 더욱 긴밀해졌으며, 신호 감쇠와 에너지 손실을 크게 줄였습니다.

데이터 전송 속도가 초과함에 따라 800G 및 1.6T 임계값까지도, CPO는 미래 네트워크를 위한 명확한 진화 경로를 제공합니다. 제조업체와 기관의 참여가 증가하고—특히 AI 애플리케이션에서의 탐구가 심화됨에 따라—CPO는 효율성과 용량 모두에서 획기적인 발전을 이룰 것으로 널리 기대되며, 이를 통해 네트워크 인프라의 상당한 변화를 주도할 것입니다.

Co-Packaged Optics (CPO) 기술이란 무엇인가요?

Co-packaged optical(CPO) 모듈은 서로 다른 구성 요소를 함께 묶는 통합 접근 방식을 취합니다. 광 모듈과 실리콘 칩을 단일 기판에 배치함으로써 CPO 모듈은 차세대 네트워크에서 대역폭, 전력 소비 및 비용 문제를 직접 해결합니다. CPO 기술은 광섬유, 디지털 신호 처리(DSP), 주문형 집적 회로(ASIC) 설계, 고급 패키징 및 테스트 프로세스를 결합합니다. CPO는 데이터 센터를 수평 및 수직 방향으로 확장하는 데 실질적인 이점을 제공합니다.

기존의 플러그형 광 모듈은 애플리케이션별 집적 회로(ASIC)에서 신호가 전송되는 동안 발생하는 손실을 보완하기 위해 고전력 디지털 신호 프로세서(DSP)를 사용하는 경우가 많습니다. SerDes 기술이 212 Gbps PAM-4 이상으로 발전함에 따라 이러한 손실은 심화되어 DSP에 대한 의존도가 더 커집니다. Linear Regenerative Optical(LRO) 또는 Linear Pluggable Optical(LPO) 모듈은 DSP를 제거하려고 시도하지만, 여전히 상호 연결 손실에 취약합니다. 반면 Co-Packaged Optical(CPO) 모듈은 광 모듈을 ASIC과 동일한 기판 인터페이스에 직접 통합합니다. 이를 통해 더 높은 통합도를 달성하고, 전송 경로 손실을 최소화하며, 전력 소비를 보다 최적의 범위 내로 유지합니다.

공동 패키징 광학 부품의 장점

전력 소비 측면에서 CPO 성능은 여러 제조업체에 의해 검증되었습니다. Broadcom과 Cisco의 초기 솔루션은 30%~50%의 전력 절감 효과를 보였으며, 1 pJ/bit 미만의 상호 연결 에너지 효율을 달성했습니다. Ayar Labs는 이를 한 단계 더 발전시켜 양방향으로 16 Tbps의 처리량을 달성하면서 5 pJ/bit 미만을 사용했습니다. 다음은 에너지를 절약하는 몇 가지 주요 방법입니다:

무손실 구리 케이블링

기존 플러그형 광 모듈은 신호가 ASIC 칩에서 구리 링크를 통해 전면 패널까지 이동해야 하며—이는 길고 에너지 집약적인 과정입니다. CPO 설계는 능동 부품과 광 트랜시버를 동일한 기판에 장착하여 마더보드의 구리 배선으로 인해 발생하는 모든 손실과 왜곡을 제거합니다.

DSP에 대한 의존도 감소

25G/채널을 초과하는 아키텍처에서는 신호 손실과 왜곡을 보상하기 위해 플러그형 광 모듈에 DSP 리타이머가 거의 필수적입니다. 그러나 DSP 자체는 시스템 전력 소비를 25%~30% 증가시킵니다. CPO는 칩과 광학 부품을 통합하여 구리 배선 손실을 크게 줄입니다. 이를 통해 설계자는 DSP 사용을 줄여 전력과 비용을 절감할 수 있습니다.

레이저 통합 방법

레이저 배치에는 두 가지 접근 방식이 있습니다. 일반적인 방법은 외부 레이저를 사용하여 광섬유를 통해 CPO로 빛을 공급하지만, 이 경우 종종 30%~50%의 광 출력 손실이 발생합니다. 대안은 레이저를 칩에 직접 통합하는 것입니다. 열 관리와 신뢰성이 보장된다면 이 설계는 더 우수한 결합 효율을 제공합니다.

높은 대역폭과 낮은 지연 시간

CPO는 대역폭과 지연 시간에서도 상당한 이점을 제공합니다. 중복 DSP와 긴 구리 배선을 제거하면 더 직접적이고 깨끗한 신호 전송이 가능합니다. DSP와 같은 추가 구성 요소 및 구리 배선 기생 성분으로 인해 발생하는 지연은 CPO 아키텍처에서는 사실상 존재하지 않습니다.

Co-packaged Optics의 적용

네트워크 애플리케이션의 CPO

CPO는 현재 주로 데이터 센터의 프런트엔드 네트워크에 배포되어 서버를 연결합니다. 높은 대역폭, 낮은 지연 시간, 에너지 효율성으로 인해 차세대 광 이더넷 기술에서 가장 유망한 솔루션 중 하나이며, 특히 네트워크 수준 애플리케이션에 적합합니다.

800G OSFP vs. 800G CPO

AI/ML을 위한 OIO 및 High-Performance Computing

업계는 인공 지능 및 머신 러닝의 컴퓨팅 요구 사항으로 인해 새로운 아키텍처를 모색하고 있습니다. OIO 기반 AI 백엔드 네트워크. 이는 미래 컴퓨팅 클러스터를 지원하기 위한 핵심 방향으로 여겨집니다.

기존 HPC 시스템은 데이터 전송을 제한하는 경직된 리소스 할당 규칙으로 인해 전체 성능 활용이 저해됩니다. CPU와 GPU 속도는 향상되었지만, I/O 인프라는 그 속도를 따라가지 못했습니다. 이로 인해 데이터 전송 지연, 유휴 컴퓨팅 유닛, 전반적인 효율성 저하가 발생합니다.

AI/ML 작업이 점점 더 대규모화됨에 따라 이러한 모순은 심화됩니다. 해결책은 확장성과 함께 고속, 저지연, 무손실 전송을 제공할 수 있는 네트워크 아키텍처에 있으며—바로 이러한 맥락에서 OIO가 등장했습니다. OIO는 기존 성능 병목 현상을 혁신할 수 있다는 높은 기대를 받고 있습니다.

HPC 아키텍처의 변화

고성능 컴퓨팅의 세계에서 분해 가능한 아키텍처는 기존의 고립된 모델을 서서히 대체하고 있습니다. 새로운 접근 방식은 컴퓨터의 메모리, 컴퓨팅 및 스토리지 부분을 분리한 다음, 고급 OIO 연결을 통해 유연한 그룹으로 결합하는 것입니다. 이를 통해 리소스 사용 방식을 쉽게 조정할 수 있으며, 이는 기존 방식보다 더 유연하고 효율적이기 때문에 더 낫습니다.

공동 패키징 광학 부품이 직면한 과제

공급업체 종속 문제

스위치와 광학 구성 요소가 모두 동일한 공급업체에서 제공되는 경우 운영자는 제한된 선택권에 직면하게 됩니다. 특정 생태계에 상당한 투자를 한 후에는 다른 공급업체의 제품으로 전환하기가 어려워집니다. 이는 구성 요소 업그레이드 또는 교체의 유연성을 줄이고 장기적으로 종속성을 초래할 수 있습니다.

유지보수 및 신뢰성

플러그형 광 모듈은 높은 모듈성을 갖추고 있어 매우 유용합니다. 즉, 부품이 고장 나면 쉽게 교체할 수 있습니다. 또한 모든 제조업체의 제품과 상호 교환할 수 있습니다. 하지만 CPO의 경우에는 그렇지 않습니다. 광학 부품이 작동을 멈추면 전체 스위치를 분해해야 하는 경우가 많습니다. 이로 인해 교체가 훨씬 더 어렵고 비용이 많이 듭니다. 이를 해결하기 위해 일부 설계에서는 레이저와 같은 고위험 부품을 원격으로 교체할 수 있는 부품에 통합합니다. 다른 설계에서는 유지보수를 더 쉽게 하기 위해 플러그형 광 커넥터를 모색합니다.

열 문제

광자 칩을 전자 패키지 내부에 배치하면 열 간섭의 위험이 증가할 수 있습니다. 광자 칩의 히터와 레이저 소스는 열을 발생시키며, 전자 칩의 열에너지는 광자 섹션으로 흐릅니다. 시스템 수준의 냉각 설계와 결합되면 열 거동은 훨씬 더 복잡해집니다. 따라서 칩 수준부터 시스템 수준까지 포괄적인 열 분석이 필요합니다.

신호 및 전력 무결성

CPO 시스템은 안정적인 신호 전송과 중단 없는 전원 공급을 모두 보장하기 위해 전역 과도 시뮬레이션이 필요합니다. 여기에는 전기 회로와 포토닉 회로 간의 결합을 고려하는 동시에, 패키징 단계에서 다양한 전기적 상호 연결로 인해 발생하는 기생 효과를 통합하는 것이 포함됩니다.

확장성 및 엣지 대역폭 밀도

CPO 및 OIO의 핵심 지표는 에지 대역폭 밀도—즉 칩 주변부에 수용할 수 있는 광섬유 수입니다. 광섬유는 일반적으로 에지 결합됩니다. 광섬유와 도파관 간의 크기 차이는 팬아웃과 관련하여 문제를 야기합니다. 기판의 크기를 늘리지 않고 수천 개의 광섬유를 기판 위에 배치하는 것을 상상해 보십시오—이는 거의 항상 한계에 부딪힙니다. 이를 극복하기 위해 업계에서는 V-groove 구조와 같은 방법을 제안했으며, 이는 광섬유를 수직으로 배열하여 연결될 때 손상을 방지합니다. grating 기반 microlens와 같은 새로운 접근 방식도 활발히 연구되고 있습니다.

제조 및 테스트 과제

실제 대량 생산을 달성하는 것은 비용과 수율에 달려 있습니다. 일관된 품질과 견고한 테스트 프로세스를 보장하는 것은 다중 공급업체 공급망 시나리오에서 특히 중요합니다. 수요가 증가하고 자본 투자가 늘어남에 따라 이러한 요구 사항은 계속 높아질 것입니다.

CPO의 미래를 형성하는 시장 동향

반도체 산업에서 현재 인기 있는 접근 방식은 모든 기능을 단일 시스템 온 칩(SoC)에 통합하는 것과는 다른 칩렛 설계를 사용하는 것입니다. 칩렛 접근 방식은 기능을 여러 개의 독립적인 소형 칩으로 분해하며, 각 칩은 패키징되어 결합되어 함께 작동할 수 있습니다. 이 설계는 칩 설계에 더 큰 유연성을 제공하고 기존 SoC에서 시스템 인 패키지(SiP) 아키텍처로의 전환을 단순화합니다. 칩렛 기술은 CPO 기술 채택을 진전시키는 핵심 동력이 될 수 있습니다. 예를 들어, 성숙한 CMOS 노드에서 제작된 광 I/O 칩렛과 최첨단 공정에서 제조된 ASIC을 페어링하는 것처럼 동일한 패키지 내에서 서로 다른 기술을 결합할 수 있게 합니다. 이러한 조합은 비용을 낮추고 수율을 개선하며 전체 생태계를 더욱 적응력 있게 만듭니다.

동시에 3D-IC 기술은 통합 밀도에 대한 새로운 가능성을 열어주고 있습니다. 현재 CPO 설계는 일반적으로 저손실 기판 위에 광 칩과 전기 칩을 나란히 배치하지만, 이를 수직으로 적층하는 것이 다음의 논리적인 단계입니다. 3D-IC CPO 아키텍처는 OIO 및 ASIC 구성 요소를 3차원으로 통합할 수 있게 하여, 초저전력 및 극도로 높은 대역폭의 칩 간 링크를 제공합니다. 이러한 종류의 패키징은 더 크고 더 복잡한 설계를 가능하게 하지만, 새로운 과제도 도입합니다. 엔지니어들은 더 작은 규모에서는 문제가 되지 않았던 새로운 효과를 포착하기 위해 점점 더 다중 물리 및 전자기 시뮬레이션을 필요로 합니다.

한편, 플러그형 광학 장치 가까운 시일 내에 사라지지 않을 것입니다. Linear-drive pluggable optics (LPO)는 CPO와 함께 발전하고 있으며, 전력 소비를 줄이기 위해 DSP를 제거한다는 동일한 아이디어를 공유합니다. CPO가 광학 부품과 전자 장치를 매우 컴팩트한 설치 공간으로 축소하는 반면, 플러그형 모듈도 역사적으로 부피가 컸던 폼 팩터를 해결하기 위해 소형화를 진행하고 있습니다. 특히 데이터 센터가 유연한 배포 옵션을 모색함에 따라, 두 접근 방식은 직접 경쟁하기보다는 궁극적으로 서로를 보완할 수 있습니다.

하지만 CPO가 proof-of-concept 단계를 넘어 폭넓은 시장 신뢰를 얻으려면 몇 가지 조건이 충족되어야 합니다. 업계는 실질적인 비용 및 전력 절감을 동반한 견고한 멀티벤더 비즈니스 모델을 입증해야 합니다. 표준화된 광 인터페이스와 재사용 가능한 IP 블록과 같은 누락된 요소를 만드는 것도 그만큼 중요합니다. 어떤 단일 회사도 이를 혼자 해낼 수는 없습니다. 진전은 공급망 전반의 협력에 달려 있습니다—EDA 벤더, 칩 설계자, 시스템 아키텍트, 패키징 업체, 테스트 장비 제공업체 및 파운드리가 모두 보조를 맞춰야 합니다. 이러한 생태계를 구축하는 것은 결코 작은 과제가 아니지만, 압박은 커지고 있습니다. AI 및 머신 러닝 워크로드가 네트워크와 컴퓨팅 수요를 미지의 영역으로 밀어붙이면서 경쟁은 이미 시작되었습니다.