고속 광통신 데이터센터 개요: 미래 디지털 인프라를 지원하는 기술 혁신

차세대 데이터 센터를 위한 필수 요소

디지털 사회가 급속도로 발전함에 따라 데이터 센터의 역할은 더욱 중요해지고 있습니다. 차세대 데이터 센터에 필수적인 핵심 요소 중 하나는 고속 성능입니다. 클라우드 컴퓨팅과 AI의 광범위한 도입으로 데이터 처리 수요가 급격히 증가하면서 더욱 빠른 데이터 전송 및 처리에 대한 요구가 커지고 있습니다.

데이터 센터는 일반적으로 많은 양의 전력을 소비하므로, 환경 영향을 줄이기 위해서는 에너지 절약이 필수적입니다. 향후 데이터 양 증가에 유연하게 대처할 수 있는 확장성, 시스템 안정성, 그리고 사이버 공격 및 정보 유출 위험에 대처할 수 있는 높은 수준의 보안 또한 필수적입니다. 더불어 운영 비용을 절감하고 고성능을 달성하는 것도 중요합니다.

고속 광통신 데이터 센터는 차세대 데이터 센터에 대한 이러한 요구 사항을 충족하기 위한 강력한 시스템으로 전 세계적으로 구축되고 있습니다.

고속 광통신 데이터 센터란 무엇입니까?

고속 광통신 데이터 센터는 기존 구리 배선을 통한 전기 신호 기반 통신을 광섬유 및 광 신호를 사용한 데이터 전송 및 처리로 보완하거나 대체합니다. 서버, 랙 및 데이터 센터를 광섬유로 연결하여 광 신호를 통해 정보를 전송함으로써 고속, 대용량 정보 전송을 달성합니다.

고속 광통신 데이터센터는 AI와 클라우드 서비스뿐만 아니라 금융, 의료/헬스케어, 엔터테인먼트, 자동차 등 다른 산업에도 이점을 제공할 것으로 기대된다.

예를 들어, 금융 분야에서는 빈도가 높은 거래, 복잡한 재무 모델 계산 및 짧은 대기 시간과 대용량 데이터 처리가 필요한 기타 작업의 효율성이 더 높아질 것입니다. 의료 및 헬스케어 분야에서는 대량의 의료 데이터(영상 진단 등)를 실시간으로 전송하고 처리할 수 있게 될 것이며, AI를 활용한 원격 의료 및 진단 지원 등의 분야에서도 진전을 볼 수 있을 것입니다. 엔터테인먼트 산업에서는 고품질 비디오 스트리밍 및 클라우드 게임과 같은 서비스를 더 쉽게 이용할 수 있게 될 것입니다. 한편, 자동차 산업에서는 자율주행 기술이 발전함에 따라 고속 광통신 데이터센터가 자율주행차와 클라우드 기반 시스템 간의 실시간 조정을 위한 고속, 저지연 데이터 처리를 달성하는 데 핵심적인 역할을 할 것이다.

고속 광통신 데이터센터의 주요 특징

고속 광통신 데이터 센터에서 사용되는 광 신호는 진공 상태에서 초당 약 300,000km를 이동합니다*1. 광섬유의 속도는 약간 느리지만 구리선의 전기 신호가 달성하는 초당 200,000km보다 여전히 빠릅니다. 또한 광통신은 전기 신호보다 감쇠가 적기 때문에 장거리 전송에 적합하며 데이터 센터 안팎에서 통신 속도를 크게 높일 수 있습니다.
*1 환영 – BIPM (검색 – BIPM)

광섬유 통신은 다른 장점도 제공합니다. 광섬유는 전기 케이블보다 수백 배 더 넓은 대역폭을 제공하여 한 번에 더 많은 데이터를 전송할 수 있습니다. 또한, 파장 분할 다중화(WDM) 기술을 사용하여 단일 광섬유로 서로 다른 파장의 여러 광 신호를 동시에 전송할 수 있는데, 이에 대해서는 나중에 자세히 설명하겠습니다. 이를 통해 데이터 전송 용량을 크게 증가시킬 수 있습니다.

또한 조명을 사용하면 데이터 센터의 전력 소비를 줄일 수 있습니다. 전기 케이블보다 신호 감쇠가 적기 때문에 광섬유는 장거리 전송 시 전력 손실이 적습니다. 또한 광학 장치는 전기 장치보다 열을 덜 발생시키기 때문에 냉각 시스템의 부하도 줄일 수 있습니다. 마지막으로, 데이터 센터에서 광 신호를 직접 사용하면 전기-광 변환 횟수가 줄어들어 변환 중 전력 손실이 최소화됩니다. 이러한 요인으로 인해 고속 광통신 데이터 센터는 기존 데이터 센터에 비해 특정 조건에서 30% 이상의 에너지 절약을 달성할 수 있습니다. *2
*2 미래 반도체 전략과 미래 광전자 융합 기술(JP)로 가능해진 차세대 광 데이터 센터

고속 광통신 데이터 센터는 새로운 광섬유를 추가하는 것만으로도 기존 데이터 센터보다 네트워크 용량을 더 쉽게 확장할 수 있으므로 데이터 볼륨의 급격한 증가에 유연하게 대응할 수 있습니다. 광섬유는 전기 케이블보다 얇고 가볍기 때문에 제한된 공간에서 더 많은 시스템을 운영할 수 있습니다.

이러한 특성으로 인해 고속 광통신 데이터 센터는 차세대 데이터 처리의 기반 역할을 할 것으로 기대되고 있습니다.

데이터 센터 간 광 상호 연결의 장점

광통신 기술은 수십 또는 수백 킬로미터 떨어진 데이터 센터 간 통신에 중요한 역할을 합니다. 데이터 센터를 광으로 연결하면 지리적으로 분산된 데이터 센터 간에 고속, 대용량 데이터 전송이 가능합니다. 거리가 멀수록 광 연결의 이점은 더욱 두드러지며, 특히 높은 대역폭과 낮은 지연 시간 측면에서 더욱 두드러집니다. 광통신용으로 개발된 파장 분할 다중화(WDM) 기술과 초당 400기가비트(400Gbps)*3의 데이터 전송 속도를 제공하는 400G ZR 기술을 사용하면 멀리 떨어진 데이터 센터와도 매우 낮은 지연 시간으로 통신할 수 있습니다.
*3 400G ZR로 불리는 차세대 고속 네트워크를 구현하는 기술은 무엇일까요? | Ruijie Networks Japan (JP)

광 상호 연결은 정보 보안 측면에서도 이점을 제공합니다. 광 신호는 전자기 간섭의 영향을 받지 않고 광섬유에서 발생하는 신호 누출도 매우 적기 때문에 외부에서 광 신호를 가로채는 것이 매우 어렵습니다. 광 신호는 암호화와 매우 호환되며, 향후 광섬유를 통한 양자 암호 통신 구현에 상당한 잠재력이 있습니다. 이러한 특성으로 인해 광 상호 연결은 높은 수준의 보안이 필요한 조직의 데이터 센터에 이상적인 선택입니다.

차세대 광통신을 위한 DWDM 전송 기술

WDM(Wavelength Division Multiplexing) 기술은 고속 광통신 데이터 센터의 통신 속도를 크게 향상시키고 있습니다. WDM을 사용하면 파장이 다른 여러 광 신호를 단일 광섬유를 통해 동시에 전송할 수 있습니다. 최근에는 DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)라고 하는 고밀도 버전의 WDM도 개발되었습니다. 경우에 DWDM 단일 광섬유를 통해 최대 160개 이상의 파장을 가진 광 신호를 동시에 전송할 수 있습니다. 이러한 각 신호는 파장당 100Gbps*4 이상의 전송 속도를 가지므로 하나의 광섬유를 통해 초당 여러 테라비트를 전송할 수 있습니다. 이는 기존 WDM 기술에 비해 전송 용량이 크게 증가했음을 나타냅니다.
*4 WDM 기술 소개: 차세대 통신을 지원하는 파장 분할 다중화의 기초 및 응용 | 뉴지 (JP)

DWDM 전송 기술의 송신 측에서는 레이저가 서로 다른 파장의 빛을 생성하고, 데이터는 각 파장으로 변조됩니다. 이 신호들은 MUX 필터라는 결합 장치에 의해 다중화되어 단일 광섬유를 통해 전송됩니다. 수신 측에서는 DEMUX 필터라는 역다중화기가 결합된 파장을 다시 원래 데이터로 분리합니다.
DWDM의 주요 장점은 기존 광섬유 인프라를 활용하면서 전송 용량을 크게 늘릴 수 있다는 것입니다. 이를 통해 기존 인프라를 최대한 활용하면서 통신 네트워크를 쉽게 확장하고 비용 대비 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.

디지털 코히어런트 전송 기술로 고속 통신 가능

WDM 기술 외에도 디지털 코히어런트 전송은 2010년경에 채택되기 시작한 또 다른 고속 광통신 기술입니다. 디지털 코히어런트 전송 기술은 광통신 신호의 진폭과 위상을 모두 사용하여 한 번에 더 많은 정보를 전송하는 고급 변조 방법입니다. 이 기술은 기존의 직접 감지 방법에 비해 더 빠른 속도와 더 먼 거리에서 광 통신을 가능하게 합니다.

이전에는 광통신이 광 온/오프 키잉(light on/off keying)을 사용하여 디지털 신호를 전송했습니다. 이는 모스 부호로 메시지를 전송하기 위해 손전등을 켜고 끄는 것과 유사했습니다. 이와 대조적으로, 디지털 코히어런트 전송은 위상(손전등 빛의 색상)과 진폭(세기)을 변경하여 빛에 더 많은 정보를 담을 수 있도록 합니다. 구체적으로, 송신 측은 빛 신호를 전송하기 전에 빛의 전자기파의 높이(진폭)와 모양(위상)을 변조합니다. 수신 측에서는 광 검출 장치가 신호를 전기 신호로 변환하고 디지털 신호 처리를 수행하여 전송 중 발생할 수 있는 왜곡을 보정하고, 높은 정밀도로 원래 신호를 복원합니다.
​

디지털 코히어런트 기술의 주요 장점은 파장당 100Gbps 이상을 고속으로 전송할 수 있어 제한된 대역폭 내에서 더 많은 정보를 전송할 수 있다는 것입니다. 또한 신호 저하가 낮기 때문에 장거리 전송을 수행하는 고속 광통신 데이터 센터에 필수가 되었습니다.

유망한 신기술: 공동 패키지 광학(CPO)

차세대 고속 광통신 데이터센터를 지원하는 핵심 기술 중 하나는 CPO(Co-packaged Optics)라는 새로운 플랫폼입니다. CPO는 전자 칩과 광학 엔진을 단일 패키지로 통합하는 첨단 기술입니다. 이 기술은 데이터 센터의 통신 속도를 크게 높이는 동시에 전력 소비를 크게 줄일 수 있습니다.

CPO의 장점 중 하나는 고속 통신입니다. 전자 칩과 광학 엔진 사이의 거리를 최소화하면 매우 빠른 데이터 전송이 가능합니다. 또한 전기 배선 길이가 짧고 광 신호와 전기 신호 간의 변환 빈도가 감소하여 전력 소비가 크게 줄어듭니다. 또한 여러 기능을 단일 패키지에 통합하면 전체 시스템을 소형화하고 밀도를 높일 수 있습니다. CPO 기술은 각 칩의 대역폭을 초당 수 테라비트로 확장할 수 있어 차세대 고속 광통신 데이터 센터를 지원하는 데 중심적인 역할을 할 것이라는 기대를 높이고 있습니다.

위에서 볼 수 있듯이 고속 광통신 데이터센터는 고속, 대용량, 저지연, 에너지 효율, 높은 보안성 등 차세대 데이터센터에 필요한 많은 요소를 제공하는 강력한 시스템입니다. DWDM 전송, 디지털 코히어런트 기술 및 CPO와 같은 고급 기술의 도입은 추가적인 성능 향상으로 이어질 것입니다.

디지털 사회의 발전과 함께 데이터 처리에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 고속 광통신 데이터 센터는 의심할 여지 없이 중요한 인프라 요소로 계속 발전할 것입니다.