광 모듈의 진화: 데이터 센터의 미래와 그 너머를 향한 동력

인공지능(AI), 클라우드 컴퓨팅, 빅데이터가 주도하는 시대에 고성능 데이터 전송에 대한 수요는 그 어느 때보다 높습니다. 이러한 디지털 혁명의 심장부인 데이터 센터는 전례 없는 속도로 방대한 양의 데이터를 처리하고 이동시켜야 합니다. 이러한 인프라의 핵심에는 전기 신호를 광 신호로 변환하여 광섬유 케이블을 통해 초고속 데이터 통신을 가능하게 하는 혁신적인 장치인 광 모듈이 있습니다. AI 모델이 더욱 복잡해지고 데이터 세트의 규모가 커짐에 따라, 기존의 구리 기반 상호 연결은 현대 애플리케이션의 대역폭 및 지연 시간 요구 사항을 따라가지 못하고 과거의 유물이 되고 있습니다. 이제 빛의 힘을 활용하여 장거리에 걸쳐 데이터를 효율적으로 전송하는 광 모듈이 등장하여 차세대 기술 혁신을 주도하고 있습니다. 이 글에서는 광 모듈의 세계를 심층적으로 살펴보고, 400G에서 3.2T에 이르는 놀라운 속도의 광 모듈로의 진화 과정을 살펴보며, 광 모듈의 미래를 형성하는 최첨단 기술들을 살펴봅니다. 비용 효율적인 저전력 대안으로서 선형 플러그형 광학(LPO)과 선형 수신 광학(LRO)을 살펴보고, 고속 모듈의 열 문제를 해결하는 첨단 냉각 솔루션을 논의하며, 공동 패키지 광학(CPO), 광 입출력(OIO), 광 회로 스위칭(OCS)과 같은 획기적인 패러다임을 살펴봅니다. 마지막으로, 데이터 센터 상호연결을 재정의할 기반 기술인 실리콘 포토닉스를 집중 조명합니다.

고속 광 모듈: 400G부터 3.2T 이상까지

광 모듈 이해: 기본 사항

광 모듈은 현대 데이터 통신의 숨은 영웅입니다. 이 소형 장치는 스위치나 서버와 같은 전기 시스템과 광섬유 네트워크 간의 인터페이스 역할을 합니다. 각 모듈 내부에서는 레이저가 빛을 생성하고, 변조기가 그 빛에 데이터를 인코딩하며, 수신단의 광검출기가 광 신호를 다시 전기 신호로 변환합니다. 이러한 과정을 통해 전기 저항과 신호 저하가 발생하는 구리 케이블과 달리, 데이터는 손실 없이 먼 거리를 전송할 수 있습니다. 광 모듈은 데이터 센터, 통신, 그리고 자율주행차와 같이 고속의 안정적인 데이터 전송이 필수적인 분야에서도 널리 사용됩니다.

현대 컴퓨팅에서 광 모듈의 역할

광 모듈은 데이터 통신의 숨은 영웅입니다. 이 장치는 전기 시스템(서버 및 스위치 등)과 광섬유 네트워크를 연결하여 전기 신호를 장거리 손실 없이 전송되는 광 펄스로 변환합니다. 전기 저항과 신호 저하가 발생하는 구리 케이블과 달리, 광 모듈은 AI 학습, 클라우드 서비스, 5G 네트워크에 필수적인 고대역폭, 저지연 통신을 가능하게 합니다. 일반적인 모듈에는 레이저, 변조기, 광 검출기가 내장되어 있으며, 이 장치들이 조화롭게 작동하여 데이터를 인코딩, 전송, 디코딩합니다.

속도의 끊임없는 행진

광 모듈 속도의 진화는 인간의 독창성과 끊임없는 기술 발전의 증거입니다. 불과 100년 전만 해도 100G(초당 400기가비트) 모듈은 혁신의 정점에 있었으며, 초기 클라우드 컴퓨팅 인프라를 구동했습니다. 오늘날 XNUMXG는 하이퍼스케일 데이터 센터의 기준이 되어 AI 학습 및 실시간 분석에 필요한 대역폭을 지원합니다. 하지만 업계는 여기서 멈추지 않습니다.800G 모듈 이미 생산 중이며, 1.6T(초당 1.6테라비트)는 상용화를 앞두고 있고, 3.2T 프로토타입은 연구실에 활기를 불어넣고 있습니다. 3.2T 모듈은 초당 3.2조 비트의 데이터를 전송할 수 있는데, 이는 수천 편의 초고화질 영화를 동시에 스트리밍할 수 있는 양입니다. 이러한 기하급수적인 성장은 단순히 자랑거리가 아니라 AI와 빅데이터의 데이터 수요에 대한 직접적인 대응입니다. 예를 들어, 대용량 언어 모델을 학습하려면 GPU, 메모리, 스토리지 간에 페타바이트 규모의 데이터를 단 몇 초 만에 이동해야 합니다. 기존의 상호 연결 방식으로는 이러한 속도를 따라잡을 수 없기 때문에 고속 광 모듈이 차세대 컴퓨팅의 핵심 요소로 자리 잡았습니다.

속도 혁명을 촉진하는 기술

이러한 엄청난 속도를 달성하려면 물리학과 공학의 경계를 넓히는 첨단 기술의 조화가 필요합니다.

• 실리콘 포토닉스: 이 획기적인 접근 방식은 레이저 및 변조기와 같은 광학 부품을 실리콘 칩에 통합하여 성숙한 반도체 제조 생태계를 활용합니다. 비용 효율적이고 확장 가능하며 전자 회로와의 긴밀한 통합을 가능하게 하여 고속 광 모듈의 초석을 마련합니다.
• 전기흡수 변조 레이저(EML): EML은 놀라운 속도로 켜지고 꺼질 수 있는 고성능 레이저로, 800G 및 1.6T 애플리케이션에 이상적입니다. 낮은 전력 소비로 높은 대역폭을 처리할 수 있는 능력은 현대 광 네트워크의 핵심 요소입니다.
• 박막 리튬 니오베이트(TFLN): 뛰어난 광학 특성을 가진 신소재인 TFLN은 초고속 응용 분야에서 유망한 가능성을 보여주고 있습니다. 예를 들어, Ciena는 최근 HyperLight의 3.2GHz TFLN 변조기를 사용하여 O 대역에서 140Tb/s 전송을 시연했습니다. 이는 광통신의 미래를 엿볼 수 있는 사례입니다.
• 고급 변조 형식: 6Gbaud의 PAM6(174레벨 펄스 진폭 변조)와 같은 기술을 통해 엔지니어는 각 광 펄스에 더 많은 데이터를 압축하여 더 빠른 하드웨어 없이도 처리량을 향상시킬 수 있습니다. 이는 1.6T에서 3.2T 이상으로 확장하는 데 필수적입니다.

레인당 200G(1.6T SR8에 사용됨) 800G DR4, 기타), 공급망은 탄탄하며, EML과 실리콘 포토닉스는 양산 중이고, TFLN과 VCSEL은 시제품 제작 중이며, DSP, TIA, 광검출기는 배치 준비가 완료되었습니다. 레인당 400G(3.2T 목표)의 경우, 실리콘 포토닉스가 유력한 후보이지만, 소재 플랫폼과 변조 방식은 여전히 논란의 여지가 있습니다.

시장 동향: 대역폭 붐

고속 광 모듈 시장은 AI, 클라우드 컴퓨팅, 5G 네트워크에 대한 끊임없는 수요에 힘입어 폭발적으로 성장하고 있습니다. 분석가들은 2025년까지 전 세계 800G 모듈 수요가 연간 20천만 대에 달할 것으로 예측하고 있으며, 400G 모듈은 17만 대의 탄탄한 수요를 유지하고 있습니다. 더 나아가 1.6T 모듈은 2026년 양산에 돌입하여 30년까지 시장의 2030%를 점유할 것으로 예상됩니다. 한편, 아직 시제품 개발 단계에 있는 3.2T 모듈은 2030년대 중반까지 하이엔드 시장을 장악할 것으로 예상됩니다. 200T 및 1.6G 구성의 기본 요소인 레인당 800G의 경우, EML 및 실리콘 포토닉스가 본격 생산되면서 공급망이 성숙 단계에 접어들었습니다. TFLN(초저전력 광통신망) 및 VCSEL(수직 공진 표면 발광 레이저)과 같은 신기술은 아직 개발 중이지만 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다. 레인당 400G로 3.2T의 기반이 되는 실리콘 광자공학이 선두주자이지만, 가장 우수한 소재 플랫폼과 변조 방식에 대한 논쟁은 여전히 진행 중이다.

지평선에 도전

이러한 속도로 확장하는 데에는 어려움이 따릅니다. 전력 소비가 주요 문제입니다. 1.6T 모듈은 약 30와트의 전력을 소모하는 반면, 3.2T 모듈은 40와트를 초과하여 상당한 열을 발생시킵니다. 또한, 엄격한 허용 오차와 특수 소재 사용으로 생산 비용이 상승함에 따라 제조 복잡성도 증가합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 업계는 레인당 802.3G를 지원하는 IEEE 200dj와 같은 새로운 표준을 채택하고 혁신적인 냉각 및 변조 기술에 투자하고 있습니다. 3.2T 이상을 향한 경쟁은 속도만큼이나 효율성도 중요합니다.

LPO와 LRO: 효율성과 경제성의 조화

선형 광학의 부상

데이터 센터가 전력 및 비용 제약에 직면함에 따라, 선형 플러그형 광학(LPO)과 선형 수신 광학(LRO)이라는 두 가지 혁신적인 광 모듈 설계가 등장했습니다. 기존 광 모듈은 잡음 및 분산으로 인한 신호 왜곡을 보정하기 위해 디지털 신호 프로세서(DSP)에 의존합니다. DSP는 효과적이지만, 전력 소모가 많아 모듈 에너지의 60% 이상을 소비하고 지연 시간을 증가시킵니다. LPO와 LRO는 다른 방식으로 선형 아날로그 부품을 사용하여 신호 처리를 간소화하고 전력 사용량과 비용을 절감하는 동시에 초저지연성을 제공합니다.

• LPO(선형 플러그 가능 광학): 단거리 상호 연결(예: 랙 내부 또는 인접 랙 간)에 맞춰 설계된 LPO는 DSP를 완전히 제거합니다. 이를 통해 최대 40%의 전력 절감, 1나노초의 낮은 지연 시간, 그리고 제조 비용 절감 효과를 제공하여 지연 시간에 민감한 AI 워크로드에 적합합니다.
• LRO(선형 수신 광학): 하이브리드 솔루션인 LRO는 수신 측에만 선형 처리를 적용하여 DSP 기반 송신기와 호환됩니다. 이러한 유연성은 최대 2km의 중거리 상호 연결을 포함한 다양한 애플리케이션에 적합합니다.

LPO와 LRO가 중요한 이유

이러한 기술의 장점은 다음과 같습니다.

• 에너지 효율성: DSP, LPO, LRO를 폐기함으로써 전력 소비를 획기적으로 줄였으며, 이는 보다 친환경적인 데이터 센터를 추구하는 업계의 추세에 부합합니다.
• 비용 절감: 간소화된 설계로 구성 요소가 줄어들고 생산 비용이 낮아져 수천 개의 모듈을 관리하는 하이퍼스케일 운영자에게 큰 도움이 됩니다.
• 낮은 지연 시간: 나노초 범위의 지연 시간을 제공하는 이 모듈은 금융 거래 및 AI 추론과 같은 실시간 애플리케이션에 이상적입니다.

표준화 및 상호 운용성

LPO와 LRO는 아직 성숙 단계에 있으며, 표준화는 광범위한 도입을 위한 중요한 단계입니다. 광인터넷워킹포럼(OIF)은 이러한 움직임을 주도하고 있으며, OFC 2025에서 LPO, LRO, 그리고 기존 DSP 기반 모듈 간의 상호운용성을 시연했습니다. LPO는 OIF의 CEI-112G-LINEAR PAM4 규격을 준수하여 일관된 성능을 보장하며, LRO의 전기 인터페이스 표준은 2025년에 완성될 예정입니다. 이러한 노력은 기존 네트워크와의 원활한 통합을 위한 토대를 마련하고 있습니다.

실제 영향: 사례 연구

업계 리더들은 이미 LPO와 LRO를 받아들이고 있습니다.

• 알리바바 클라우드: 알리바바는 2025년 400월 전 세계 데이터 센터에 4G DRXNUMX LPO 모듈을 배포하여 대규모 고대역폭 애플리케이션에 대한 실행 가능성을 입증했습니다.
• InnoLight와 FiberMall: 이 회사들은 OFC 2025에서 1.6T LRO 모듈을 공개하며 차세대 AI 클러스터의 잠재력을 보여주었습니다.

테스트가 계속되고 표준이 확립됨에 따라 LPO와 LRO는 광 네트워킹의 경제성을 새롭게 정의할 태세를 갖추고 있습니다.

냉각 솔루션: 고속 모듈의 열 제어

열의 딜레마

고속 광 모듈은 양날의 검과 같습니다. 속도가 빠를수록 전력 소모량이 증가하고, 전력 소모량이 많을수록 발열량도 증가합니다. 1.6T 모듈은 약 30와트의 전력을 소모하는 반면, 3.2T 모듈은 40와트를 훌쩍 넘습니다. 이러한 발열은 여러 가지 문제를 야기합니다.

• 전력 밀도: 작은 모듈은 작은 영역에 열을 집중시켜 열 과부하의 위험이 있습니다.
• 열적 크로스토크: 한 모듈의 열이 주변 구성 요소의 성능을 저하시킬 수 있습니다.
• 데이터 센터 영향: 수천 개의 뜨거운 모듈로 인해 냉각 비용이 증가하고 효율성이 저하됩니다.

팬과 방열판에 의존하는 기존의 공랭식 냉각 방식은 한계에 도달하면서 업계에서는 열 관리를 재고해야 했습니다.

액체 냉각: 멋진 혁명

액체 냉각은 고속 광 모듈을 위한 최적의 솔루션으로 떠오르고 있습니다. 공기와 달리 액체는 뛰어난 열전도도를 가지고 있어 열을 효율적으로 흡수하고 방출합니다. 액체 냉각의 장점은 다음과 같습니다.

• 정밀 냉각: 액체는 레이저 다이오드나 변조기와 같이 특정 핫스팟을 표적으로 삼을 수 있습니다.
• 에너지 효율성: 전반적인 냉각 전력을 줄여 데이터 센터의 PUE(전력 사용 효율성)를 낮춥니다.
• 확장성: 향후 AI 클러스터의 고밀도, 고전력 설정을 지원합니다.

최첨단 냉각 기술

여러 가지 혁신이 액체 냉각을 발전시키고 있습니다.

• 높은 열전도도 소재: 구리와 증기 챔버가 알루미늄 케이스를 대체하여 열 전달을 향상시킵니다.
• 저접촉 저항 소재: DLC(다이아몬드 유사 탄소) 코팅은 구성 요소 간의 열 저항을 최소화합니다.
• 최적화된 방열판: 더 많은 핀이나 고급 기하학 디자인을 적용하여 냉각 효율을 높였습니다.

더 나은 열 인터페이스 재료(TIM) 및 저전력 설계(예: LPO/LRO)와 같은 보완적 접근 방식을 통해 열 출력을 더욱 줄일 수 있습니다.

산업 발전

• Accelink와 Celestica: OFC 2025에서 Accelink는 Celestica의 DS5000 스위치를 사용하여 침지 냉각 플랫폼을 테스트하여 1.6T 모듈에 대한 액체 냉각의 안정성을 입증했습니다.

3.2T가 다가오면서 데이터 센터를 원활하게 운영하려면 액체 냉각이 필수적입니다.

공동 패키지 광학(CPO): 대역폭과 효율성의 재정의

CPO란 무엇인가요?

기존 구성에서는 광 모듈이 PCB의 전기 배선을 통해 스위치 ASIC에 연결됩니다. 고속에서는 이러한 배선이 병목 현상을 일으켜 전력 낭비와 대역폭 제한을 초래합니다. 함께 패키지된 광학 장치 (CPO)는 광 모듈을 ASIC에 직접 통합하여 긴 전기 경로를 제거하고 새로운 수준의 성능을 실현함으로써 이 문제를 해결합니다.

CPO가 중요한 이유

CPO는 혁신적인 이점을 제공합니다.

• 에너지 효율성: NVIDIA의 CPO 솔루션은 전력 사용량을 20pJ/bit에서 5pJ/bit로 줄여 3.5배 개선되었습니다.
• 밀도: 더 적은 공간에 더 많은 포트를 지원하므로 AI 기반 하이퍼스케일 네트워크에 이상적입니다.

기술 옵션

• 실리콘 포토닉스: 2km 이내의 거리에 적합하며 높은 통합성과 확장성을 제공합니다.
• VCSEL: 단거리(<30m) 링크에는 비용 효율적이지만 안정성은 아직 개발 단계입니다.

업계 이정표

• NVIDIA: 2026년에 Spectrum-X CPO 스위치를 출시할 계획입니다.
• Broadcom: BaillySCIP 실리콘 포토닉스를 사용하는 51.2Tbps Tomahawk5 스위치는 2026년을 목표로 합니다.
• 중국 혁신 기업: Ruijie Networks와 H3C가 CPO 프로토타입을 테스트하고 있습니다.

앞으로의 과제CPO의 복잡한 2.5D/3D 통합과 까다로운 모듈 교체로 비용이 증가할 수 있지만, 그 잠재력은 부인할 수 없습니다.

광 입출력(OIO): 컴퓨팅 및 스토리지의 새로운 시대

OIO 정의

광 입출력(OIO)은 광 트랜시버를 칩 패키지에 내장하여 프로세서, 메모리, 스토리지 간의 직접 광 연결을 가능하게 합니다. OIO는 보드 레벨 변환을 우회함으로써 지연 시간과 전력 소모를 최소화합니다.

애플리케이션 및 이점

OIO는 AI 클러스터와 같은 확장형 아키텍처에서 빛을 발합니다.

• Ayar Labs: TeraPHY OIO 칩은 포트당 8Tbps로 1Tbps를 제공합니다.
• Avicena: 1Tb/s GPU 통합을 위해 microLED를 사용합니다.
• 천상 AI: 게르마늄 변조기로 4pJ/비트 달성.

기술 경로

• 실리콘 광자공학: 성숙하고 다재다능함.
• MicroLED: 대역폭이 높고 초기 단계입니다.

장애

OIO는 3D 통합 및 수율 문제에 직면해 있지만 컴퓨팅 네트워크에 혁신을 가져올 것을 약속합니다.

광 회로 교환(OCS): 네트워크 간소화

OCS란 무엇인가요?

OCS는 광 스위치를 사용하여 전기적 패킷 교환(EPS)을 우회하여 직접적인 빛의 경로를 생성함으로써 지연 시간과 전력을 줄입니다.

장점

• 지연 감소: 전기적 처리 지연이 없습니다.
• 전력 절약: 변환 횟수 감소
• 예: Google의 Jupiter와 Microsoft의 Sirius는 OCS를 활용합니다.

실시

• MEMS: Lucent의 Edge640 스위치는 빠른 스위칭 기능을 갖춘 640개의 듀플렉스 포트를 제공합니다.

실리콘 광자공학: 광학 혁신의 기반

실리콘 포토닉스는 마이크로일렉트로닉스와 포토닉스를 통합하여 광학 기술의 발전을 주도합니다. 실리콘 포토닉스 시장은 226년 2024억 644만 달러에서 2029년 1310억 65만 달러로 성장할 것으로 예상됩니다. 인텔, 이노라이트, TSMC는 인텔의 2.5nm DFB 레이저와 TSMC의 3nm XNUMXD/XNUMXD 집적 공정과 같은 플랫폼을 선도하고 있습니다. 에피택셜 및 모노리식 설계에 대한 향후 연구를 통해 확장성이 향상될 것입니다.

결론

미래를 밝히다 400G에서 3.2T까지, 광 모듈은 AI와 빅데이터의 요구를 충족하기 위해 진화하고 있습니다. LPO, CPO, OIO, 그리고 실리콘 포토닉스는 첨단 냉각 및 OCS의 지원을 받아 새로운 지평을 열고 있습니다. 이러한 기술이 발전함에 따라 더욱 빠르고 효율적인 디지털 미래를 만들어갈 것입니다.