일본산업뉴스요약

반도체 3강이 견인
광전융합의 업계 지도

생성 AI(인공지능) 열풍이 기폭제가 되면서 광전(光電)융합 기술 개발이 가속화되고 있다. 이것을 견인하고 있는 것이 브로드컴과 엔비디아, 그리고 대만의 TSMC 등 3사. 개발 주도권을 가지고 있지 않은 일본 기업들의 입장에선 반도체 제조의 결정권을 쥔 기업에 어떻게 접근할 수 있을지가 향후 승부를 결정짓는 열쇠가 될 것이다.

광전융합에서 개발이 가속화되고 있는 것은 광·전기 배선의 신호 변환을 담당하는 광학 엔진과 IC를 패키징 기판에 실장하는Co-Packaged Optics(CPO)이다. 실리콘 기판을 베이스로 제조되는 실리콘 포토닉스를 사용하기 때문에 반도체 관련 기업들이 실리콘 포토닉스 시장에 본격적으로 진입하고 있다.

현재는 데이터센터를 운영하는 미국의 거대 테크 기업들을 중심으로 CPO 도입 실증이 진행되고 있는 단계이다. 통신 반도체 대기업 브로드컴은 가장 먼저 CPO 제품화에 성공. CPO를 채택한 이더넷(Ethernet) 스위치 IC(집적회로) ‘Bailly’를 2024년 3월에 소수 고객을 대상으로 출하를 개시했다.

Bailly는 데이터 전송을 담당하는 브로드컴의 스위치 IC와 광학 엔진을 동일한 패키지에 밀봉한 것이다. 대만의 시장조사 기관인 Isaiah Research에 따르면, 메타와 마이크로소프트가 Bailly에 대한 평가를 진행하고 있다고 한다.

서버 제품에 CPO를 도입하는 기업도 나오고 있다. 미국의 Drut Technologies는 올 1월, GPU와 CPO 모듈이 탑재된 서버 제품 ‘2500’ 시리즈를 발매했다. 올 3월 시점에서CPO 제조를 담당한 기업에 대해서는 공개하지 않았다. CPO의 본격적인 보급은 앞으로 수 년 안에 이루어질 것으로 전망된다.

-- 엔비디아, 빠르면 올해 안에 제품화 --
광전융합 업계에서는 브로드컴과 엔비디아가 AI 처리를 위한 프로세서가 탑재된 CPO를 양산할 것으로 전망하고 있다. 양 사 모두 데이터센터용 프로세서 시장에서 높은 점유율을 가지고 있다. AI 용도로 데이터센터의 수요가 높아지고 있는 가운데 고객사들로부터 전력 효율화에 대한 요구가 높아지고 있다.

복수의 언론 매체는 TSMC가 양 사가 설계한 CPO를 기반으로 실장 및 양산을 추진할 것으로 전망하고 있다. 엔비디아는 올 3월, 엔비디아 컨퍼런스 'GTC 2025'에서 데이터센터 스위치 제품에 CPO를 도입한다고 밝혔다. 올해 안에 발매될 예정인 네트워크 스위치 제품 ‘Quantum-X’와 2026년에 발매될 예정인 ‘Spectrum-X’에 도입한다. TSMC와 협업하고 있는 엔비디아는 TSMC가 개발한 광전융합의 첨단 패키징 기술 ‘COUPE(Compact Universal Photonic Engine)’를 채택했다.

엔비디아는 GPU의 전력 효율이라는 과제를 해결하는 수단으로 광전융합에 기대를 걸고 있다. 대규모 AI 처리에서는 복수의 GPU에 데이터를 송신해 그 결과를 수집하는 처리가 반복적으로 행해진다. 이 GPU를 연결하는 배선의 전력이 줄어든다면 큰 폭의 전력 절감을 이룰 수 있다. 엔비디아의 GPU를 도입하는 데이터센터가 많아, 유저 측이 CPO와 결합된 도입이 용이하다는 장점도 있다.

-- 데이터센터나 AI-RAN에 응용 --
TSMC 외 다른 반도체 제조 수탁 기업들(파운드리)도 CPO와 관련된 투자를 가속화하고 있다. 삼성전자는 2024년의 연례 이벤트 ‘Samsung Foundry Forum(SFF)’에서 CPO 기술을 2027년에 도입하는 계획을 발표했다.

미국의 Global Foundries는 올 1월, 약 7억 달러(약 1,000억 엔)를 투자해 실리콘 포토닉스 양산 공장을 신설할 계획을 밝혔다. 이스라엘의 Tower Semiconductor도 CPO용 도파로 등을 포함한 실리콘 포토닉스 분야의 양산 프로세스 ‘PH18’을 전개하고 있다.

이러한 파운드리에 양산을 위탁하는 반도체 장비 제조사와 통신 기기 제조사들은 자사 제품에 CPO를 도입함으로써 소비전력 절감을 도모하고 있다.

그 용도는 데이터센터에 한정되지 않는다. 스웨덴의 에릭슨과 소프트뱅크는 AI를 사용해 통신을 최적화하는 AI-RAN(무선 액세스 네트워크)에 응용하려 하고 있다. AI-RAN에서는 기지국에 GPU와 같은 AI 반도체를 탑재하는 경우가 많으며, 설치수가 많아 소비전력이 과제로 떠오르고 있기 때문이다.

에릭슨은 광전융합 스타트업인 미국의 Nubis Communications와 공동 개발한 CPO 시제품을 광통신 기술 관련 세계 최대급 국제회의 ‘European Conference on Optical Communications(ECOC) 2024’(독일 프랑크푸르트)에서 전시했다.

실외에 설치하는 CPO 모듈은 섭씨 100도 이상에 달하는 경우도 있다. 에릭슨은 외부광원(ELS: External Laser Source)을 사용해 열원을 패키지 밖으로 분산시킨 결과, 동작에 미치는 영향이 적어진 것을 확인할 수 있었다고 한다.

소프트뱅크는 광전융합 스타트업인 이스라엘의 New Photonics와 협업해 AI-RAN 용도에서 CPO 활용을 모색하고 있다. “광전융합이 실현하는 저소비 전력에 대해서는 기대감이 있지만, 미래의 선택지 중 하나라고 생각한다. 광전융합 자체의 도입 코스트 및 소프트웨어 개선도 포함해 다양하게 검토할 필요가 있다”라고 소프트뱅크 첨단기술연구소 첨단기술기획실의 시마(島) 실장은 말한다.

-- 일본은 주도권에 과제 --
일본에서는 파운드리나 팹리스 기업과 같은 최종 제품의 결정권을 가진 기업이 적다는 문제가 있다. 일본은 CPO 용 부소재를 담당하는 기업이 많으며, 세계 시장에서도 존재감을 발휘하고 있다. 하지만, 이러한 기업은 최종 제품을 만드는 기업의 요망에 따른 제조가 주가 되기 때문에 표준화 등에서 주도권을 쥐는 것이 어렵다.

국내에서는 NTT그룹이 CPO를 넓은 범위에서 다루고 있는 몇 안 되는 최종 제품 제조사 중 한 곳이다. NTT그룹은 자체 제작한 CPO 제품을 데이터센터에 도입하는 방침을 밝혔다. 후루카와전기공업(古河電気) 등과 공동으로 CPO와 그 차세대 기술에 해당하는 광I/O 개발을 추진하고 있다.

라피더스(Rapidus, 도쿄)도 광전융합 사업 진출을 표명하고 있다. “일본이 NTT를 중심으로 광전융합에 도전할 때 우리가 관여하지 않는다는 선택지는 있을 수 없다”라고 라피더스의 오리이(折井) 3D 어셈블리 본부장은 말한다. 라피더스는 광전 융합을 위한 대형 RDL 인터포저(재배선층이 내장된 중간 기판) 기술 개발을 추진. 인터포저를 이용하는 광I/O 등에서 사용될 가능성이 있다.

CPO의 제품화 및 양산은 올해 이후 급속히 진행될 전망이다.

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