전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_26.01 (p28~30)

산업기술종합연구소의 주도로 광전융합연구 결집, NTT는 광 칩렛에서 진전
‘광전융합연구센터’ 발족, 소재부품기술을 무기로 만회

광전 융합에 관련된 국내 연구가 활기를 띠고 있다. 산업기술종합연구소는 연구소 내 연구 조직으로 ‘광전융합연구센터’를 2025년 4월에 설립했다. 광전융합연구센터가 주도해 복수의 컨소시엄을 운영, 국내 기술 발전 지원을 목표로 하고 있다. 광전 융합 기술은 현재 NVIDIA 등 대형 반도체 업체들이 리드하고 있다. 일본은 소재부품 기술을 무기로 일치단결하여 뒤처진 부분을 만회한다는 전략이다.

산업기술종합연구소는 2025년 10월, 도쿄 도내에서 광전융합연구센터 설립 기념 강연회를 개최했다. 강연회에는 광전융합연구센터에 소속된 5개의 연구팀을 비롯해 NTT, 스미토모전기공업(住友電気工業), 벨기에의 연구기관 imec 등, 90여 개의 기업·단체가 모여 보유 기술 및 과제에 대해 논의했다. 본 기사에서는 광전융합연구센터와 NTT가 강연한 내용 중 일부를 소개한다.

-- 이대로는 일본의 강점을 살릴 수 없어 --
생성 AI(인공지능)가 빠른 속도로 보급되면서 AI 데이터센터의 전력 수요가 급격히 확대되고 있는 가운데, 크게 주목 받고 있는 기술이 광전 융합이다. 컴퓨팅에 사용되는 전기 배선의 일부를 광 배선으로 대체함으로써 소비전력을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다.

최근에는 광전 융합의 구현 형태 중 하나인 ‘Co‑Packaged Optics(CPO)’ 개발 경쟁이 격화되고 있다. CPO의 제품화와 관련해서는 미국의 Broadcom이 2024년 3월, 소수 고객을 대상으로 제공을 개시, NVIDIA도 2025년 3월에 CPO 제품을 발표했다. 앞으로 수 년 안에 이 두 회사 외에도 제품화가 잇따를 것으로 전망된다.

이처럼 반도체 제조 업체들이 선도하고 있는 현 상황에 대해 광전융합연구센터의 아마노(天野) 센터장은 강한 경계심을 나타냈다. NVIDIA 등의 광전 융합 기술은 실리콘에 고밀도 광 회로를 형성하는 ‘실리콘 포토닉스(Silicon Photonics)’라고 불리는 기술이 핵심이다. 반도체 제조 기술을 활용할 수 있는 실리콘 포토닉스는 바로 그들이 강점으로 삼는 분야이다.

한편, 일본은 인듐인화물(InP) 등 화합물 반도체를 사용한 광 통신 기술과 소재부품 개발에 강점을 가지고 있다. 이대로 NVIDIA 등이 실리콘 포토닉스 기술을 기준으로 한 규칙을 먼저 만들 경우, 일본의 기술이 진입할 여지가 줄어들 것이라는 우려를 지울 수 없다. 광전 융합 시장에서 일본 기업이 존재감을 높이기 위해서는 “일본에서 새로운 기술을 창출해 나가지 않으면 안 된다.”라고 아마노 센터장은 강조했다.

-- NTT, 진척 상황 보고 --
설립 기념 강연회에서는 기업과 대학, 연구기관이 광전 융합 기술에 관한 최신 연구 성과를 보고했다. NTT 디바이스이노베이션센터의 사이다(才田) 센터장은 NTT가 구축 중인 차세대 통신 기반 ‘IOWN’의 핵심 기술이 될 광전 융합 디바이스 개발 현황에 대해 설명했다.

광전 융합 디바이스란 전기 신호를 광 신호로 변환하는 변조기, 반대로 광 신호를 받아 전기 신호로 변환하는 광 검출기, 그리고 광원이 되는 레이저 소자 등을 말한다. GPU(화상처리 반도체)와 CPU(중앙연산처리 장치) 바로 옆에 이러한 광전 융합 디바이스를 얼마나 고밀도·고정밀도로 구현할 수 있는지가 개발의 핵심이다.

NTT는 광전 융합 디바이스를 4개의 기술 단계로 나누어 개발을 추진하고 있다. 현재 제품화의 막바지 단계에 있는 것이 2세대(PEC-2) ‘광 엔진’이다. 구현 형태는 CPO에 해당한다. 2025년 10월에 폐막한 오사카·간사이 엑스포에서의 실증을 거쳐, 2026년에 상용 샘플 제공을 개시할 계획이다.

광 엔진의 다음 세대(PEC-3)인 ‘광 칩렛’ 개발도 꾸준히 성과를 쌓아 나가고 있다. 광 칩렛은 광 엔진의 기능을 소형·집적화한 작은 조각(칩렛)이다. NTT의 독자적 레이저 기술인 ‘멤브레인(Membrane, 박막) 포토닉스’와 빛의 통로가 되는 광도파로, 전기집적회로(EIC) 등을 집적하고 있다.

광 칩렛을 GPU 옆에 배치해 동일한 패키지 기판 상에 구현함으로써 2세대의 구현 형태보다 전기 배선의 거리가 짧아져 소비전력이 줄어든다.

강연에서는 사이다 센터장이 광 칩렛 구현을 이미지화한 패키지 기판 목업과 광 칩렛 시제품의 동작 검증 결과 등을 보고했다. 멤브레인 포토닉스를 이용한 신호 전송 테스트에서는 전송 속도 64기가비트/초(Gbps)에서 1비트당 전송 에너지가 0.26피코줄(pJ)이라는 “매우 낮은 전력의 광 전송을 실증할 수 있었다.”(사이다 센터장)라고 한다.

광 칩렛 연구는 NTT가 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)의 위탁 사업인 ‘포스트 5G 정보통신시스템 기반강화 연구개발사업/첨단반도체제조 기술개발’의 지원을 받아 NTT 이노베이티브디바이스(요코하마시), NTT 디바이스크로스테크놀로지(가와사키시), 후루카와(古河)전기공업, 신코(新光)전기공업과 공동으로 진행하고 있다.

-- 광 엔진을 기판에 매립 --
산업기술종합연구소는 광 엔진이 내장된 패키지 기판(Active optical package substrate: AOP) 개발을 추진하고 있다. 그 특징은 패키지 기판에 광 엔진을 매립하고 그 위에 GPU를 겹쳐 배치하는 구조라는 것이다. 광 엔진을 GPU 주변에 배치하는 NVIDIA 등의 CPO에 비해 전기 회로가 짧아져 저전력화를 기대할 수 있다. 광전융합연구센터의 광 패키징 연구팀이 개발을 추진하고 있다.

광 엔진을 기판에 내장함으로써 저전력화는 물론, 제조 프로세스 측면에서도 장점이 있다. 첫 번째는 광의 접속 정밀도를 높일 수 있다는 점이다. NVIDIA의 구현 형태에서는 광 엔진에 광섬유를 직접 연결한다. 이때 광축(光軸)이 어긋나면 전송 손실로 이어진다. 반면, 정확하게 위치를 맞추려고 할 경우, 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어진다. 광 접속 프로세스는 CPO 제조에서의 과제 중 하나이다.

한편, 산업과학연구소의 AOP는 광 엔진을 기판에 매립한 후에 노광 프로세스로 광도파로를 형성하는 제조 프로세스를 제안하고 있다. 광 엔진의 위치를 검출해 그 위치에 맞춰 직접 묘사 방식의 노광 장치로 광도파로를 형성한다. 기계적으로 광섬유의 위치를 맞추는 정밀도와 비교해 노광 장치의 묘사 정밀도가 높기 때문에 보다 높은 정밀도의 광 접속이 가능하다고 한다.

또한, GPU를 기판에 탑재하기 전에 광 엔진 검사를 할 수 있다는 점도 큰 강점이다. 기존의 CPO 조립 공정에서는 GPU와 광 엔진을 기판에 구현한 후에 검사를 진행한다. 하지만 이 절차에서는 광 엔진 구현 시 오류가 발생했을 때 매우 비싼 GPU도 폐기할 수밖에 없다. 반면, 산업과학연구소의 구현 방법은 검증된 제품에만 GPU를 구현하기 때문에 수율 개선을 기대할 수 있다.

CPO의 공급망에서는 책임 분계점이 모호하다는 것아 문제시되고 있다. 광 엔진에 내장된 패키지 기판은 기판 제조 업체가 광 엔진의 동작을 보증한 후에 출하할 수 있기 때문에 “해결책 중 하나가 될 수 있을 것이다.”(광 패키징연구팀의 노리키(乘木) 팀 리더).

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산업과기술종합연구소의 주도로 광전융합 연구 결집, NTT는 광칩렛에서 진전
-- ‘광전융합연구센터’ 발족, 소재부품을 무기로 만회

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