광전자공학 융합은 어디에 활용될까요? AI 데이터 센터의 확장, 확장, 확대 및 축소에 활용됩니다.

지금 광전자공학의 융합이 필요한 이유

생성형 인공지능(AI)의 급속한 확산으로 데이터 센터에서 처리하는 데이터 트래픽과 연산량이 폭발적으로 증가하고 있습니다. 수많은 GPU가 끊임없이 데이터를 주고받으면서 전력 소비와 발열이 급증하는 것이 문제로 대두되었습니다. 처리 성능을 향상시키기 위해서는 GPU를 더욱 빠른 속도와 용량으로 연결해야 합니다.
이러한 난제를 해결할 핵심 기술로 점점 더 주목받고 있는 것이 바로 광전 융합(Photonics-Electronics Convergence)입니다. 이 기술은 전자 회로와 광 회로 및 광 장치를 결합하여, 이들을 근접 배치하거나 단일 장치로 통합함으로써 광 통신의 응용 범위를 넓히는 것을 목표로 합니다. 전기와 빛의 각각의 강점을 활용하여 더욱 빠르고, 대용량이며, 전력 효율이 높은 정보 처리 및 통신을 가능하게 합니다.
특히 데이터 센터에서는 광-전기 변환 섹션과 GPU 및 스위치 ASIC(네트워크 장비에서 데이터 전송을 처리하는 전용 칩)과 같은 반도체 사이를 연결하는 고속 전기 배선의 길이를 줄여 신호 손실과 전력 소비를 줄이기 위한 노력이 활발히 진행되고 있습니다. 전기 신호가 이동해야 하는 거리가 멀수록, 그리고 데이터 전송 속도가 높을수록 신호 손실과 전력 소모가 발생하기 쉽습니다. 이러한 이유로 전기 신호를 빛으로 대체하고 전기 배선의 이동 거리를 단축하는 데 대한 관심이 높아지고 있습니다.
전기 배선을 단축하면 전력 소비와 신호 손실을 모두 줄이기가 더 쉬워집니다. 바로 이러한 이유로 광 변환 지점을 링크의 끝단뿐만 아니라 반도체 칩에 최대한 가깝게 옮기는 것이 효과적입니다. 이러한 방식으로 광 통신의 도달 범위가 점진적으로 확장됩니다. 하지만 모든 것을 한 번에 광으로 변환할 수는 없습니다. 광으로 연결되는 대상은 "외부", 즉 데이터 센터 간 링크에서 "내부", 즉 반도체 패키지 내부로 점차 확장됩니다.

연결 거리 및 시스템 역할을 통해 광전자공학 융합을 바라보기

AI 인프라의 연결은 몇 가지 질문을 중심으로 구성할 수 있습니다. 즉, 연결 거리는 얼마나 되는지, 무엇과 무엇 사이인지, 그리고 연결된 장비들이 어떻게 협력하는지입니다. 예를 들어, 여러 개의 GPU를 하나의 대규모 컴퓨팅 시스템처럼 작동하게 하는 연결과 여러 서버를 연결하여 컴퓨팅 범위를 확장하는 연결은 서로 다른 통신 속도, 지연 시간 및 연결 방식을 요구합니다.

이러한 점을 염두에 두고, 이 글에서는 확장(Scale Across), 확장(Scale Out), 확장(Scale Up), 그리고 내부 확장(Scale In)을 각 연결의 거리와 목표, 그리고 시스템 내에서의 역할이라는 관점에서 살펴봅니다.

이러한 연결 범위는 칩이나 패키지 내부에서부터 여러 GPU 간의 연결, 데이터 센터 내 서버와 랙 간의 연결, 나아가 여러 데이터 센터 간의 연결에 이르기까지 다양합니다. 일반적으로 연결 거리는 내부 확장(Scale In)에서 외부 확장(Scale Across)으로 갈수록 길어지지만, 각 경우에 필요한 기술은 연결 대상과 시스템 내에서의 역할에 따라 다릅니다. (참고: https://www.marvell.com/solutions/data-center/scaling-ai-infrastructure.html)

확장성 향상: 여러 데이터센터와 지역 연결

스케일 어크로스(Scale Across)는 단일 데이터 센터 또는 시설의 경계를 넘어 여러 사이트에 분산된 AI 클러스터(여러 개의 GPU와 서버로 구성된 컴퓨팅 시스템)를 연결하여 마치 단일 데이터 센터처럼 전체 시스템이 통합적으로 작동하도록 하는 개념입니다. 이는 데이터 센터의 분산 및 상호 연결(DCI, Data Center Interconnect)이 성장할 것으로 예상되는 분야이며, 연결 거리에 따라 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

캠퍼스 규모 전반
동일 캠퍼스 내 또는 비교적 가까운 거리에 있는 여러 데이터 센터 간의 연결.
장거리 운송 규모 확대
대도시권이나 광역권을 아우르는 데이터 센터 간의 장거리 연결.

두 경우 모두 여러 사이트의 컴퓨팅 시설을 하나의 통합 시스템으로 사용하기 때문에 연결은 빠르고 용량이 크며 지연 시간이 짧아야 합니다. 이러한 연결에는 거리와 용도에 적합한 플러그형 송수신기가 사용될 것으로 예상됩니다.

광 트랜시버는 네트워크 장비에서 수신한 전기 신호를 전송용 광 신호로 변환하고, 수신된 광 신호를 다시 전기 신호로 변환하는 통신 모듈입니다. 분리형 플러그형 트랜시버는 데이터 센터 간뿐만 아니라 랙 간, 데이터 센터 내 스위치 간에도 다양한 연결에 사용됩니다. 오늘날 광 트랜시버는 데이터 센터 내 Scale Out 네트워크에서 가장 널리 사용되며, 거리와 용도에 따라 Scale Across의 사이트 간 연결에도 사용될 것으로 예상됩니다.

광 트랜시버의 작동 원리와 최신 동향에 대한 자세한 설명은 관련 기사인 광 트랜시버 기본 및 최신 동향을 참고해 주세요.
Dexerials가 이러한 고속 추진의 도전에 어떻게 대응할 수 있는지, 그리고 어떤 제품으로 해결할 수 있는지는 별도의 기사 "광 트랜시버 전반에 걸친 Dexerials 제품을 위한 Scale Products"에서 다룰 예정입니다.

스케일 아웃: 서버 및 랙을 추가하여 컴퓨팅 범위를 확장합니다.

Scale Out은 여러 서버와 Scale Up을 통해 구축된 컴퓨팅 시스템을 네트워킹하여 데이터 센터 내 계산 범위를 확장하는 개념입니다. 처리가 여러 서버에 분산되어 있기 때문에, 대량의 데이터를 효율적으로 이동시키기 위한 통신 능력과 통신 지연을 최소화하는 메커니즘이 모두 필요합니다.
Scale Out에서는 플러그형 트랜시버가 서버와 랙 간 연결에 널리 사용됩니다. 하지만 연결된 장치 수와 필요한 용량이 증가함에 따라 스위치 ASIC과 전면 패널의 광 트랜시버를 연결하는 전기 배선이 길어져 신호 손실과 전력 소비가 증가할 가능성이 높아집니다. 이 배선을 단축하기 위해 스위치 ASIC 가까이에 빛으로 변환하는 지점을 두는 기술이 개발되고 있습니다. 그 중 하나가 CPO(Co-Packaged Optics)로, 스위치 ASIC과 광 엔진을 동일한 패키지에 담고 있습니다. 전기 신호와 광 신호 간 변환을 담당하는 광학 엔진을 스위치 ASIC 근처에 배치함으로써, CPO는 고속 전기 신호가 이동해야 하는 거리를 단축시킵니다. 이는 광통신이 전통적으로 전기 배선에 의존하던 단거리 응용 분야로 확장되고 있음을 의미하며, CPO 네트워크 스위치의 채택이 증가할 것으로 예상됩니다. (새로운 광학 인터페이스: 새로운 커넥터 설계와 지능형 정렬이 CPO 시대를 가능하게 한다 | 특징 | 2026년 2월 | 광자 스펙트럼)

CPO(Co-Packaged Optics)를 채택한 제품 개발 또한 진전되고 있습니다. 브로드컴은 스위치 ASIC과 광 엔진을 통합한 102.4Tb/s 스위치인 "Tomahawk 6 – Davisson"을 발표했습니다. (Broadcom Announces Tomahawk® 6 – Davisson, the Industry's First 102.4-Tbps Ethernet Switch with Co-Packaged Optics) NVIDIA 또한 CPO를 채택한 "Spectrum-X Ethernet Photonics"와 "Quantum-X InfiniBand Photonics"를 발표했습니다. (NVIDIA, Silicon Photonics Networking for Agentic AI | NVIDIA) 스케일 아웃에 관련된 구성 요소와 Dexerials가 제공할 수 있는 기술은 향후 별도의 기사에서 자세히 다룰 예정입니다.

규모 확장: 여러 GPU를 연결하여 하나의 대규모 컴퓨팅 시스템으로 작동시키기

스케일업은 여러 개의 GPU, XPU(GPU를 포함한 컴퓨팅 반도체를 지칭하는 용어), 메모리 및 기타 구성 요소를 고속으로 연결하여 하나의 대규모 컴퓨팅 시스템처럼 작동하도록 하는 개념입니다. 이러한 연결 범위는 단일 서버 내부에만 국한되지 않고, 랙 내부 및 여러 랙에 걸쳐 확장될 수 있습니다.

오늘날 구리 전선은 널리 사용되고 있지만, 인공지능(AI)이 발전함에 따라 한 번에 전송해야 하는 데이터 양이 증가하고 전력 소비에 대한 요구 사항이 더욱 엄격해지면서 구리 전선만으로는 통신 거리와 속도를 지속적으로 확장하기 어려워지고 있습니다. 따라서 전선 길이를 단축하고 빛을 이용하여 데이터를 교환하는 기술 개발이 활발히 진행되고 있습니다.

현재 연구 중인 미래 구성 방안 중 하나는 광 신호를 생성하는 광 엔진을 GPU/XPU 패키지 근처에 배치하고, GPU/XPU들을 광으로 연결하는 것입니다. 이 방안의 목표는 GPU/XPU 간의 고속 전기 배선을 단축하고 광학적 연결을 구현하는 것입니다.

스케일업(Scale Up)에 광 인터커넥트(장비와 반도체를 연결하는 데 빛을 사용하는 기술)를 도입하는 방향으로 개발이 진행되고 있습니다. 마벨(Marvell)은 AI 클러스터를 위한 200Gbps 전기-광 인터페이스를 갖춘 3D 실리콘 포토닉스 광 엔진을 공개했습니다. (Marvell, 업계 최초 200G 3D 실리콘 포토닉스 엔진으로 가속 인프라 확장 시연) NVIDIA는 MediaTek을 비롯한 파트너사와 함께 여러 GPU와 맞춤형 반도체를 연결하는 "NVLink Fusion"을 발표했습니다. (MediaTek | NVLink Fusion | 맞춤형 AI ASIC 혁신) 스케일업에 사용되는 구성 요소와 Dexerials가 기여할 수 있는 부분은 향후 별도의 기사에서 자세히 다룰 예정입니다.

스케일 인: 칩과 패키지 내부의 처리 성능 향상

스케일 인(Scale In)은 칩, 패키지 또는 단일 컴퓨팅 장비 내부에서 처리 성능과 전력 효율을 향상시키는 개념입니다. 이 기술은 GPU, HBM(고대역폭 메모리 - GPU 근처에 배치되는 고대역폭 메모리), 칩렛(기능별로 나뉜 소형 반도체 칩)과 같은 구성 요소를 짧은 거리에 고밀도로 연결하여 고속 데이터 교환을 가능하게 합니다.

오늘날에는 전기 배선이 주를 이루지만, 통신 용량을 늘리고 전력 소비를 줄이기 위해 다이(반도체 웨이퍼에서 잘라낸 개별 칩) 간 및 칩렛 간에 광 I/O(광 신호를 이용한 데이터 입력 및 출력)를 도입하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 다이가 밀집되어 쌓이거나 나란히 배열될수록 전기 배선 혼잡, 신호 손실 및 발열 문제가 더욱 심각해지며, 이는 근거리 통신에도 영향을 미칩니다. 이러한 이유로 패키지 내부로 빛을 전달하는 기술이 연구되고 있습니다. 한 가지 접근 방식은 칩이 장착되는 기판인 인터포저 내부에 빛이 지나갈 수 있는 경로를 제공하고, 이 경로를 통해 광 신호를 전달하는 것입니다. 이러한 광 배선이 내장된 기판을 포토닉 인터포저라고 하며, 실리콘 및 유리와 같은 다양한 재료를 사용한 구성에 대한 연구가 진행되고 있습니다.

광학 I/O를 대규모로 구현하기 위한 기술은 여전히 연구 및 프로토타입 제작 단계에 머물러 있으며, 광범위한 대량 생산 시기는 아직 불확실합니다(2026년 7월 기준).
인텔은 CPU와 동일한 패키지에 광 I/O 칩렛을 탑재하고 실제로 데이터를 전송하는 프로토타입 시스템을 공개했습니다. 향후 이 기술은 CPU, GPU 및 기타 칩과 동일한 패키지에 내장되어 전기 신호와 광 신호 간 변환을 수행하는 광 I/O 기술로 발전할 것으로 예상됩니다. (인텔, 최초의 완전 통합형 광 I/O 칩렛 시연 – 인텔 뉴스룸) 스케일 인(Scale In) 프로젝트에 사용되는 구성 요소와 덱세리얼(Dexerials)의 기여 가능성에 대해서는 추후 별도의 기사에서 자세히 다룰 예정입니다.

요약: 연결 거리와 역할을 통해 광자-전자 융합 이해하기

앞서 살펴본 바와 같이, AI 인프라의 연결은 크게 네 가지 관점으로 나눌 수 있습니다. 첫째, 칩과 패키지 내부의 처리 성능을 향상시키는 스케일 인(Scale In), 둘째, 여러 GPU를 하나의 대규모 컴퓨팅 시스템처럼 작동하게 하는 스케일 업(Scale Up), 셋째, 서버와 랙을 추가하여 컴퓨팅 범위를 확장하는 스케일 아웃(Scale Out), 넷째, 여러 데이터 센터와 지역을 연결하는 스케일 어크로스(Scale Across)입니다. 각 관점은 연결 대상과 거리, 그리고 시스템 내에서의 역할이 서로 다릅니다. 이러한 관점들은 순차적으로 서로를 대체하는 것이 아니라, AI 인프라의 구성과 목적에 따라 조합하여 사용됩니다.

오늘날 광 트랜시버는 데이터 센터 내 Scale Out에서 가장 널리 사용되며, Scale Across에서도 활용이 확대될 것으로 예상됩니다. Scale Up and Scale In은 여전히 주로 전기 연결에 의존하지만, 더 큰 통신 용량, 낮은 지연 시간, 전력 소비 감소를 추구하기 위해 광학 인터커넥트와 광 I/O를 도입하는 기술 개발이 진행 중입니다. 이 발전이 진행됨에 따라 신호가 빛으로 변환되는 지점이 점점 칩에 가까워질 것으로 예상됩니다. 광통신이 더 넓은 범위에 도달하고 변환점이 칩에 가까워질수록, 구현 과제도 변화합니다. 여기에는 저손실로 빛을 연결하는 광학 결합 기술, 서로 다른 재료와 장치를 고정밀도로 결합하는 이종적 통합 기술, 그리고 더 높은 층과 밀도를 지원하는 고밀도 패키징 기술(첨단 패키징 분야의 일부)이 포함됩니다. Dexerials는 빛을 전기로 변환하는 포토다이오드(고속 포토다이오드, PD)와 광학 출력을 모니터링하고 제어하는 PD뿐만 아니라, 부품을 정밀하게 고정하는 산업용 접착제, 미세한 전기 연결을 처리하는 이방성 전도성 필름(ACF), 빛의 방향과 양을 제어하는 무기 광학 장치, 그리고 신제품 개발을 통해 이러한 문제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다. 이 모든 것의 근본에는 공통된 아이디어가 있습니다: 전기 배선이 이동하는 거리를 단축하여 신호 손실과 전력 소비를 줄이자는 것입니다.

광전자 융합이라는 점점 더 중요해지는 분야에서, 덱세리얼스는 엔지니어들이 직면한 과제를 해결하는 데 도움이 되는 기술을 지속적으로 개발해 나갈 것입니다.