전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2024.4 특집 요약 (p22~41)

컴퓨팅에 광전융합기술
실리콘 포토닉스 시대, 드디어 도래

최근 생성 AI(인공지능)의 붐으로 데이터센터의 전력 소비량이 급증하고 있다. IEA(International Energy Agency, 국제에너지기관)의 예측에 따르면, 2026년 데이터센터의 전력 소비량은 2022년과 비교해 2배 증가. 그 양은 일본의 전력 소비량과 맞먹는다고 한다.

이것을 해결할 게임 체인저 기술로 주목 받고 있는 것이 광(光)기술이다. 전기를 이용한 신호 전송을 빛으로 대체하는 것으로, 소비전력을 극적으로 줄일 수 있다. 일본에서는 NTT가 IOWN을 통해 추진, 인텔 등 해외 기업들도 연구개발을 추진하고 있다.

제1부: 시장 동향
전기 의존, 이제는 한계, 실리콘 포토닉스 시장이 급성장

데이터센터의 절전화 수요를 배경으로 빛과 전기를 하이브리드로 이용하는 '광전융합’ 기술에 이목이 집중되고 있다. 기판 간이나 칩 간을 광으로 접속함으로써, 전기신호에서 문제가 되고 있는 전력손실을 크게 절감할 수 있다. 전 세계적으로 투자가 몰리고 있으며, 2028년에는 시장 규모가 2022년의 약 10배인 6억 달러 규모가 될 전망이다.

인터넷에서의 데이터량은 계속 증가하고 있다. 일본의 최근 5년간 연평균 성장률(CAGR)은 약 6%. 세계적으로도 비슷한 추세이다. 향후 데이터량 증가는 계속 이어질 전망이다.

처리해야 할 데이터량이 늘어나면 소비전력은 커진다. 급격한 데이터량의 증가에 따른 소비전력 증대는 지금까지 반도체의 미세화에 의해 어느 정도 감당되어왔다. 하지만 반도체의 미세화가 물리적 한계에 가까워지면서 기술적 난이도가 계속 높아지고 있다. 반도체의 미세화 외에 소비전력 증대를 억제하는 방법 중 하나로 다시 주목 받고 있는 것이 '광전융합기술'이다.

광전융합기술은 이름 그대로 전기신호를 처리하는 회로와 광신호를 처리하는 회로를 하이브리드로 이용하는 기술이다. 전기는 전송거리가 늘어나거나, 주파수가 높아질수록 열 손실이 발생한다. 열에 의해 배선 저항이 증대되고 신호 지연도 커진다. 지금까지 전기가 사용되고 있던 서버의 기판 및 회로 내에서의 신호 전송에 광을 사용함으로써, 성능의 병목 현상 해소와 소비전력 증대 문제 완화를 도모하는 기술이다.

-- CMOS 제조 라인으로 소형화 --
현재, 전기가 주류인 기판상에서의 신호 전송을 어떻게 빛으로 전환해 나갈 것인가? IOWN(Innovative Optical and Wireless Network) 구상을 내걸며 광전 융합을 적극적으로 추진하고 있는 NTT는 다음의 두 번째 단계로 신호 전송의 광화를 추진하려 하고 있다.

첫 번째 단계가 빛을 전기로 변환하는 기능을 가지는 ‘광트랜시버모듈(이하, 광트랜시버)’을 서버의 프린트 기판상에 설치하는 것이다. 현재 서버랙 간을 접속하기 위해 광섬유의 양 끝에 광전기신호 변환 회로를 가진 AOC(액티브 광케이블)라고 부르는 케이블이 사용되고 있다.

이 AOC용으로 개발되고 있는 실리콘 포토닉스 기술을 적용해 광트랜시버를 기판상에 설치함으로써 대규모 분산 처리 등에서 트래픽이 증가하는 다른 서버와의 통신에 대한 전력 효율화·저지연화가 가능하게 된다.

실리콘 포토닉스는 기존 반도체 칩의 CMOS 제조 라인을 사용해 실리콘 기판상에 광도파로, 광변조기, 포토다이오드, III-V족 레이저 등의 광소자를 집적하는 기술이다. 현재 주류인 개별적으로 부품을 마련해 프린트 기판상에 배치하는 방법과 달리, 기존의 반도체 제조기술을 사용해 1개의 칩으로 실현할 수 있기 때문에 소형화·저비용화가 가능하게 된다.

두 번째 단계는 반도체 패키지에 실리콘 포토닉스 칩을 내장하는 것이다. 전기신호가 흐르는 부분은 패키지 내에서 완결되기 때문에 프로세서 패키지 간, 혹은 프로세서 패키지와 메모리 패키지 간의 데이터 전송을 고속화·저소비전력화 할 수 있다.

-- 시장의 급성장이 기대되고 있어 --
광전융합 실현의 열쇠를 쥔 실리콘 포토닉스는 앞으로 크게 성장할 것으로 보인다. 프랑스의 조사회사 Yole Development에 따르면, 2022년 실리콘 포토닉스의 시장규모는 6,800만 달러였다.

애플리케이션 별로 살펴보면, 데이터센터의 랙 간을 연결하는 AOC를 중심으로 한 ‘착탈식(Pluggable)’ 시장이 대부분을 차지하고 있었다. 향후 데이터 용량은 더욱 증가할 것이기 때문에 실리콘 포토닉스 시장의 급성장이 기대되고 있다. 2028년에는 시장규모가 6억 1,300만 달러, CAGR 44%까지 성장할 것으로 추산되고 있다.

AOC에서의 실리콘 포토닉스 채택이 추진된다면, 기판상, 더 나아가 패키지 내로 확대될 것이다. 실제로 Yole Development는 반도체 패키지의 근처에 광트랜시버를 두는 ‘Near Package Optics’나 패키지에 광트랜시버를 내장하는 ‘Co-Package Optics’의 매출이 2028년까지 3배로 확대될 것으로 전망했다.

제 2부 : IOWN
NTT 광전자 융합 로드맵, 2032년에는 칩 간 통신을 광(光)화

NTT가 ‘IOWN(Innovative Optical and Wireless Network)’에서 목표로 하는 것은 네트워크나 컴퓨팅에 사용되는 전기에 의한 신호 전송을 광(빛)으로 바꾸는 것이다.

제 3부 : 기술 패권
실리콘 포토닉스 특허, 인텔이 압도적

광전 융합 기술의 핵심이 되는 실리콘 포토닉스의 특허를 분석해보았다. 세계적인 개발 상황을 보면, 미국이 강하고, 그 중에서도 인텔이나 IBM과 같은 대기업들이 존재감을 나타내고 있다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei Electronics] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.

Hot News
• TSMC가 올해 구마모토 현에 제2 공장 착공, 운영 회사에 도요타자동차도 출자 --
  두 개 공장의 월 총 생산능력은 300mm, 웨이퍼 환산으로 10만장 이상
• 난카이해곡의 거대 지진 대비는 충분한가, 국내 반도체 공장의 예상 진도를 가시화
  진도 6 이상의 거점이 여러 곳, 공급망 단절에 대한 대책이 필수
• 르네사스의 2023년 12월기는 순이익 31% 증가, 전체 수익 감소에도 자동차용은 견고
  보드 설계용 EDA 툴 기업인 미국의 알티움을 약 8,900억,엔에 인수
• 드러난 라피더스의 전략, 전체 매엽 처리로 양산까지 극적 단축
  'No 대기시간'으로 AI 반도체 시대에 대응
• 첨단 반도체 재료 '일본에서의 조달 거의 불가능', '잃어버린 30년'이 큰 타격
  JASM, ‘간접 재료의 국내 조달률 25%’라고 밝혀
• 첨단 기술 도입이 사활적으로 중요, 방위장비청이 기업과의 매칭 이벤트 개최
  악천후에서의 자율주행을 실현하는 AI와 1.6kg의 초경량드론 전시
• 레이저 조사로 우주쓰레기 제거, 세계 최초의 서비스를 일본 기업이 2025년도에 개시
  우선은 회전을 멈추게 하는 200kg급 위성용 페이로드 제공
• EDA 최대기업인 Synopsys가 5조엔 이상을 투입해 같은 업종의 미국 ANSYS를 인수하는 이유 -- 배경에 미세화의 한계, 칩렛 통합형 SoC에 대한 대응력을 높이기 위해
Breakthrough 特集1
• 컴퓨팅에 광기술
  ~실리콘 포토닉스 시대 드디어 도래~
• 제1부 :시장 동향
  전기 의존 이젠 한계에, 실리콘 포토닉스 시장이 급성장
• 2부 :IOWN
  NTT의 광전자융합 로드맵, 2032년에 칩간 통신을 광화
• 제3부 :기술 패권
  실리콘 포토닉스 특허에서 인텔이 압도적
Emerging Tech＆Biz
• 인터뷰
  가전의 소프트웨어 개발 경험이 무기, AI로 반도체 설계를 효율화 (요시다 소시오넥스트 이사 집행임원 상무)
• 발전 기술
  제3방식의 핵융합로 통해 퍼스트플라즈마, 올해 안에 발전 실험
• 반도체
  라피더스가 가진 타사를 따라잡는 기책, 전 도시바 연구자가 새로운 구조를 제창
• 반도체
  제조와 설계의 연계 한층 더 중요해져, 일본기업이 첨단 SoC와 파워 반도체에서
• 우주
  많은 '세계 최초' 타이틀을 가진 JAXA의 달 탐사선, 엔진 기능 상실에도 100m내 정밀 착륙 가능
• 투자분석
  삼성전자에 지는 것이 당연한가? 데이터가 보여주는 일본 기업의 연구개발 자세
• 산업 정책
  '소국' 스위스가 살길, 미래 기술 선점으로 승부수
Products' Trends
• 배달인력 부족을 로봇으로 해소, 우버가 도내 음식 배달 개시 외
Readers' Voice
• 일본의 기술력으로 무엇을 기여할 수 있을까? 외

 -- 끝 --