[디지털데일리 고성현 기자] 글로벌 반도체 업계가 차세대 광자 데이터 통신 기술인 실리콘 포토닉스(Silicon Photonics)에 주목하고 있다. 인공지능(AI) 발전에 따라 급증한 데이터 처리와 전력 요구량을 모두 잡을 수 있다는 기대감이 커진 덕이다.

30일 업계에 따르면 글로벌 파운드리 1위 기업인 TSMC는 실리콘 포토닉스 상용화를 위한 개발에 박차를 가하고 있다. 이와 관련 엔비디아, 브로드컴 등에 공동패키지광학(Co-Packeged Optics, CPO) 모듈 샘플을 제공할 것으로 알려졌다.

실리콘 포토닉스는 반도체 간 데이터 통신 방식을 전기에서 빛(광자, Photon)으로 변환한 기술이다. 기존 구리 배선으로 연결한 인터커넥트를 광섬유 등으로 대체, 데이터 전송 속도를 수십배 이상 높일 수 있다.

특히 이 기술은 대규모 데이터 처리·고전력을 요하는 인공지능(AI) 데이터센터에 적합하다는 평가를 받는다. 기존 칩과 칩, 칩과 장치 등을 연결하는 배선인 구리는 전기 저항·정전 용량으로 인해 더 많은 전력을 소모한다. 반면 실리콘 포토닉스는 구리 대비 높은 대역폭으로 신호 손실 없이 데이터 전송이 가능하다.

통상 구리 배선이 초당 기가비트(Gbps)의 대역폭을 지원한다면, 실리콘 포토닉스는 낮은 전력 소모로도 초당 테라비트(Tbps) 수준의 대역폭을 지원할 것으로 전망되고 있다.

TSMC가 개발 중인 CPO는 GPU를 비롯한 주문형반도체(ASIC)와 함께 PCB에 실장되는 형태다. 기존에는 ASIC에서 연산을 진행한 데이터가 PCB의 구리 배선을 통해 다른 칩으로 이동하거나 나가는 구조였다면, 이 방식은 연산한 데이터가 CPO에서 광자로 변환된 이후 CPO에 연결된 광섬유(Fiber)로 빠져나가는 구조다. 이렇게 되면 구리 대비 전기손실 없이 빠른 속도의 데이터 통신이 가능해진다.

TSMC는 학회 등에 잇따라 실리콘 포토닉스 연구 성과를 공개하며 상용화의 기반을 다지고 있다. 특히 이를 양산하기 위해 엔비디아 등 주력 고객사와 협업하는 것은 물론, 이에 적합한 공정 구축을 위해 협력사와 장비 개발에도 착수한 것으로 전해진다.

TSMC가 개발한 CPO 기술은 이르면 올해 하반기부터 양산될 전망이다. 엔비디아가 차세대 GPU '루빈'에 CPO 적용을 검토하고 있어서다.

루빈에 CPO가 적용될 경우 초거대언어모델(LLM) 구동을 위한 GPU가 서로 통신하는 칩투칩(Chip to chip) 인터커넥트 성능이 대폭 높아질 것으로 관측된다. 여러 GPU를 상호 간 연결해주는 NV링크(NVLink)가 과열 방지와 신호 간섭 저감, 확장성 개선을 목표로 하는 만큼 CPO가 최적의 대안이 될 수 있다는 의미로 해석된다.

삼성전자 역시 오는 2027년을 목표로 실리콘 포토닉스 기술을 활용하겠다는 계획을 내놓고 있다. 이와 관련 작년 '삼성 파운드리 포럼 2024'에서는 턴키 솔루션에 CPO를 통합하겠다는 목표를 제시한 바 있다. 이 기술에 막대한 관심을 가져온 인텔 역시 표준화·상용화를 위한 작업을 진행할 것으로 전망된다.

반도체 업계 관계자는 "실리콘 포토닉스는 광자를 변환하는 기술뿐 아니라 하이브리드 본딩, 칩렛 등 고난도 첨단 패키징이 집약된 기술"이라며 "이를 구현하려면 광반도체에 대한 기술적 역량 뿐 아니라 다방면의 역량이 필요한 만큼, 삼성 등이 TSMC를 추격하기 위해서는 적지 않은 투자나 지원이 필요할 것"으로 내다봤다.