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Nikkei X-TECH_2024.7.26

AI전력 수요 급증으로 '광전융합'에 뜨거운 시선
인텔은 칩렛으로 실증

광전(光電)융합은 전기신호와 광신호를 처리하는 회로를 융합해 정보 처리를 고속화하거나 전력을 효율화하는 기술을 말한다. 생성AI 붐을 배경으로 소비 전력이 급증하고 있는 데이터센터의 전력 효율화의 열쇠를 쥐고 있다. NTT는 광전융합을 2030년대를 내다본 차세대 네트워크 구상 ‘IOWN’의 기반 기술로 규정하고 있다. 대만의TSMC와 미국의 인텔 등 반도체 대기업들도 개발을 가속화하기 시작했다.

기존의 네트워크 및 정보 처리 기반은 성능이나 코스트의 관점에서 장거리 데이터 전송에는 빛을 사용하고, 단거리 데이터 전송이나 정보 처리에는 전기를 사용해왔다. 하지만 최근 데이터센터 등에서 취급하는 정보량이 폭발적으로 증가하고 있는 가운데 소비전력 증대를 억제하는 것이 반도체 미세화의 한계로 인해 어려워지고 있다.

그래서 전기에 비해 고속이면서 저전력으로 데이터를 전송하거나 처리할 수 있는 빛을 네트워크 및 정보 처리 기반에 최대한 활용하려는 움직임이 나오고 있다. NTT의 IOWN은 이러한 발상에 근거하는 차세대 네트워크 중 하나이다. 현행 네트워크에 비해 전력효율을 100배, 전송 용량을 125배, 지연 시간을 200분의 1로 하는 것을 목표로 한다.

이러한 고속· 저전력 네트워크를 실현하는 방법이 광전융합이며, ‘실리콘 포토닉스(Silicon Photonics)’라는 기술이 열쇠를 쥐고 있다. 반도체 산업을 뒷받침하는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor, 상보형 금속 산화 반도체) 기술을 활용해 레이저와 광도파로, 포토다이오드 등의 광학 소자를 실리콘 기판상에 집적한다.

이를 통해 빛을 전기로 변환하는 부품을 서버의 프린트 기판 상이나, 반도체 패키지 내에 구현할 수 있다. 광전 변환 부품을 반도체 칩에 가깝게 함으로써 전기적 손실을 줄일 수 있다는 것이 장점이다.

-- 파운드리와 EDA 벤더, 대응에 나서기 시작 --
광전융합을 실현하기 위해 반도체 업계를 중심으로 CPO(Co-Packaged Optics) 개발이 가속화되고 있다. CPO에서는 광전 변환을 담당하는 실리콘 포토닉스 칩과 로직 반도체 등을 동일한 패키지 내에 구현한다. 즉, 반도체 패키지 내부까지 빛이 들어오는 것이다.
IOWN에서는 CPO를 활용해 랙간이나 보드간의 광 접속을 2025년~2026년, 반도체 패키지간의 광접속을 2028년~2029년에 실현하는 것을 목표로 하고 있다. 2032년을 목표로 반도체 패키지 내의 칩간도 광 접속으로 할 계획이다.

파운드리 최대 기업인 TSMC는 올 4월, 차세대의 프로세스 기술 ‘TSMC 16A’(1.6nm 세대)를 발표, 이와 함께 CPO의 제공 계획도 밝혔다. 실리콘 포토닉스 칩과 로직 반도체 등을 3 차원으로 구현하는 기술 ‘COUPE’을 2025년에 확립. 데이터센터용 반도체에 널리 채택되고 있는 자사의 2.5 차원 패키지 기술 ‘CoWoS’와 조합해 2026년에 제공을 개시할 예정이다. 한국의 삼성전자도 6월, 파운드리 사업 관련 프라이빗 이벤트에서 2027년부터 CPO를 제공할 계획을 발표했다.

EDA(전자설계자동화) 툴 벤더들도 대응에 나서기 시작했다. 미국의 Ansys는 올 4월, COUPE용 반도체 설계 환경에서 TSMC와 협업한다고 발표했다. TSMC의 장(張) 시니어바이스프레지던트 겸 공동최고업무집행책임자는 CPO에 대해 “전력 효율 개선에 효과가 있어 향후 수년 안에 이용이 확산될 것이다”라고 전망한다.

PC와 서버용 CPU(중앙연산처리장치) 최대 업체인 인텔도 실리콘 포토닉스 개발을 선도하고 있는 기업 중 하나다. 인텔은 6월, 자사의 CPU와 실리콘 포토닉스 칩을 동일한 패키지에 구현해 CPU의 동작을 확인한 성과를 발표했다. 복수의 반도체 칩들로 구성된 칩렛 집적형이면서 광 입출력을 구비한 반도체의 동작을 확인한 세계 최초의 사례라고 한다.

일본에서는 경제산업성이 올 1월, IOWN용 칩간 광 접속 등의 개발 프로젝트에 452억 엔을 거출한다고 발표했다. 2024~2029년까지 5년간의 프로젝트로, NTT외에도 반도체 패키지 기판 업체인 신코전기공업(新光電気工業)과 반도체 메모리 업체 키옥시아 등이 참가한다.

이처럼 개발이 가속화되고 있는 광전융합 기술이지만, 반도체 패키지 내 발열 대책과 신뢰성 확보, 코스트 절감, 기술 표준화 등, 과제도 적지 않다. 재료 및 구현을 포함한 기술 혁신이 요구되고 있어 일본 기업들이 기여할 여지는 클 것으로 전망된다.

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