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Co-packaged Optics(CPO): 데이터센터 혁신을 이끄는 원리와 효과

일반 리포트 2025년 06월 19일
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목차

  1. CPO 기술 개요 및 기본 원리
  2. CPO 기술의 주요 이점
  3. 데이터센터 인프라에 미치는 효과
  4. 시장 전망 및 기술 과제
  5. 결론

1. 요약

  • Co-packaged Optics(CPO) 기술은 반도체 칩 패키징 내부에 광통신 소자를 통합하여 기존의 전기 신호 기반 연결 한계를 극복하는 혁신적인 접근 방식으로, 현재 데이터센터 환경에서 AI 워크로드의 급증에 따른 병목 현상을 완화하고 있습니다. CPO는 실리콘 포토닉스를 기반으로 하여 높은 대역폭과 낮은 지연시간, 에너지 효율을 동시에 구현합니다. 나아가, CPO는 AI 반도체의 효율성을 극대화하는 기술로 자리잡으면서, 데이터 전송 과정에서의 전력 소모를 획기적으로 줄이는 데 기여하고 있습니다.

  • IDTechEX의 보고서에 따르면, CPO 시장은 2035년까지 연평균 30%의 성장을 보이며, 12억 달러를 초과할 것으로 전망됩니다. 이는 데이터센터와 반도체 산업에서 CPO의 중요성이 더욱 부각되고 있다는 것을 의미합니다. 현재 CPO는 기술적 진전과 함께 데이터 센터의 기존 인프라를 혁신하기 위해 적극적으로 활용되고 있으며, 이는 데이터 전송 효율을 크게 향상시키는 결과를 가져옵니다.

  • 특히, CPO 기술은 AI 워크로드의 증가로 인한 데이터 요구량의 급격한 변동에 능동적으로 대응할 수 있는 잠재력을 지니고 있으며, 실리콘 포토닉스를 활용한 광패키징 기술이 그 기반이 되고 있습니다. 이러한 상황 속에서 CPO는 전기 신호 방식의 장점을 유지하면서도 소모되는 에너지를 줄이는 혁신적인 기술로 자리잡고 있습니다.

  • 이 리포트는 CPO의 기본 원리, 주요 이점, 데이터센터 적용 효과, 시장 전망을 상세히 분석하였으며, 이 모든 요소가 현재 '2025년 06월 19일' 시점에서의 데이터센터 혁신에 중요한 동력을 제공하고 있음을 강조합니다.

2. CPO 기술 개요 및 기본 원리

  • 2-1. CPO 정의 및 등장 배경

  • CPO(코-패키지드 옵틱스, Co-packaged Optics) 기술은 반도체와 광학 장치가 동일 패키지에 통합되어 전통적인 전기 신호 대신 광 신호를 이용하여 데이터 전송을 진행하는 혁신적인 접근 방식입니다. 이 기술은 특히 데이터센터 환경에서 AI 워크로드의 증가에 대응하기 위해 필요성이 부각되었습니다. 인공지능(AI)과 고성능 컴퓨팅(HPC) 시스템의 복잡성이 커짐에 따라 ‘Interconnect Wall’ 또는 ‘Power Wall’로 불리는 문제를 해결하기 위한 새로운 솔루션이 필요하게 되었습니다.

  • CPO 기술은 기존의 전기 신호 전송 방식에서 발생하는 병목 현상과 지연 시간, 에너지 소모 문제를 해결하기 위해 고안되었습니다. 이 기술은 데이터 전송 속도와 대역폭을 증가시키고 전력 소비를 줄이는 것을 목표로 하고 있습니다. 실제적으로 AI 반도체의 발열 문제와 전력 소모를 효율적으로 개선할 수 있는 가능성을 보여주고 있습니다.

  • 2-2. 실리콘 포토닉스 기반 광패키징

  • 실리콘 포토닉스 기술은 실리콘 웨이퍼를 활용하여 고속 데이터 전송을 가능하게 하는 기술로, 빛을 이용한 데이터 전송 방식을 채택합니다. 그 주요 구성 요소로는 광도파로, 광변조기, 레이저 다이오드 등이 있으며, 이들이 통합되어 고속의 정보 처리와 높은 에너지 효율을 달성합니다.

  • CPO의 실현에 있어 실리콘 포토닉스는 필수적입니다. 이 기술은 반도체 CMOS 기술과의 높은 호환성을 가지며, 대량 생산이 가능하여 비용 효율을 극대화 할 수 있습니다. 데이터 센터와 같은 환경에서 실리콘 포토닉스 기술을 적용하면 정보 전송에 소요되는 열과 에너지를 효과적으로 감소시킬 수 있습니다.

  • 2-3. Co-packaged Optics 구조

  • CPO는 기본적으로 두 가지 주요 구성 요소가 결합된 구조입니다. 첫 번째는 실리콘 포토닉스 칩이며, 두 번째는 고성능 전자 칩(예: ASIC)이 이를 하나의 패키지에 집적하여 이루어집니다. 이러한 구조는 기존의 Pluggable Optics 기술에 비해 물리적 거리와 전송 속도를 단축시키며, 전송 손실 및 지연 시간을 감소시킵니다.

  • CPO 기술은 데이터센터의 구성 요소 간 연결을 최적화하며, 이러한 고속 데이터 전송은 AI 및 HPC와 같은 다양한 응용 분야에서 필요로 하는 빠른 처리 성능을 위해 필수적입니다. 특히, CPO는 입출력(I/O) 요구 사항을 충족시키기 위해 설계되어 있으며, 이는 전체 시스템의 효율성 향상에 기여합니다.

3. CPO 기술의 주요 이점

  • 3-1. 대역폭 증가와 지연시간 감소

  • CPO 기술은 기존의 전기 신호 기반 연결을 대체하여 빛을 통해 데이터를 전송함으로써 대역폭을 획기적으로 증가시키고 지연시간을 줄이는 데 기여합니다. 현재 데이터센터에서 요구되는 데이터 처리량은 인공지능(AI) 워크로드의 확산과 함께 급증하고 있으며, 이러한 변화는 CPO 기술의 필요성을 더욱 부각시키고 있습니다. 특히, Corning의 보고서에 따르면 AI 기반 데이터 센터의 용량 수요는 2023년부터 2030년 사이 매년 평균 33%씩 증가할 것으로 예상되고 있습니다. 이는 전통적인 구리 기반 연결 방식으로는 충분히 처리할 수 없는 수치입니다.

  • CPO 기술은 데이터를 광신호로 변환하여 전송하는 과정을 통해 대역폭을 크게 늘리는 것뿐만 아니라, 데이터 전송 과정에서 발생할 수 있는 지연 시간을 최소화하는 데도 많은 장점을 지니고 있습니다. 예를 들어, AI 반도체에서 발생하는 데이터 전송 속도가 200 Gb/s에 달할 때, 기존의 구리선 연결 방식으로는 이러한 고속 전송을 효율적으로 수행하기 어려워지므로, CPO의 적용이 필수적으로 요구됩니다.

  • 3-2. 전력소비 절감 및 에너지 효율

  • CPO 기술은 전력소비를 대폭 줄여 전반적인 에너지 효율을 높이는 데 기여합니다. Nvidia의 네트워킹 부문 부사장인 Kevin Deierling은 전통적인 광학 시스템에서 CPO로의 전환을 통해 30%에서 50%의 연결 전력을 절감할 수 있다고 언급하며, 이는 대규모 데이터 센터에서 수 메가와트의 전력 절약으로 이어질 수 있음을 강조했습니다. 전력 소비의 감소는 환경적 지속 가능성 뿐만 아니라 운영 비용 절감에도 긍정적인 영향을 미치는데, 이는 데이터 센터 운영자들에게 큰 경제적 이점으로 작용합니다.

  • 또한, CPO 기술이 기존의 유선 연결 방식을 대체하면서 발생하는 전력 소모의 감소는 데이터 전송 과정에서 생기는 열 발생 문제를 해결하는 데도 기여합니다. 데이터 센터의 운영에서 발열 문제는 매우 중요한 요소이며, CPO 기술을 통합함으로써 이러한 문제를 최소화할 수 있습니다. 더불어, 구리로 된 케이블에 비해 광섬유 케이블은 훨씬 적은 양의 에너지를 소모하므로, 전체적인 에너지 소비 또한 줄이게 됩니다.

  • 3-3. 열관리 및 시스템 집적도 향상

  • CPO 기술은 고밀도의 광섬유 케이블과 맞물려 열 관리 문제를 효율적으로 제어하는 데 상당한 이점을 제공합니다. 데이터 전송 시 발생하는 열은 장비의 성능 저하를 초래할 수 있으며, 이에 따라 열 관리가 필수적입니다. CPO는 광통신소자가 반도체 칩과 근접하여 설계됨으로써, 발열 문제를 효과적으로 최소화할 수 있는 구조적 장점을 제공합니다. 이로 인해 시스템의 집적도를 향상시키고, 다양한 요소들이 하나의 패키지에 통합될 수 있는 가능성을 열어 줍니다.

  • 기존의 전기 신호 전달 방식은 공간을 차지하는 많은 케이블과 물리적 연결 부분이 필요하지만, CPO는 이러한 물리적 제약을 제거함으로써 설계의 복잡성을 감소시키고 시스템 집적도를 높입니다. 예를 들어, 데이터 센터 내에서 서브 스트레이트를 최소화한 상태에서 전송할 수 있는 경량화된 구조를 통해 효율성과 성능 모두를 극대화할 수 있습니다. 이는 또한 관리와 유지 보수에 대한 용이함을 제공하여 운영 비용 저감에도 기여합니다.

4. 데이터센터 인프라에 미치는 효과

  • 4-1. AI 워크로드 병목 해소

  • 데이터센터의 AI 워크로드는 최근 몇 년 간 급격히 증가하였으며, 이는 기존의 물리적 인프라에 상당한 부담을 주고 있다. CPO(통합 광 패키징) 기술은 이러한 문제를 해결하는 데 있어 중대한 역할을 하고 있다. CPO는 빛을 이용하여 데이터를 전송하기 때문에 기존의 구리 기반 전송 방식에 비해 대역폭이 매우 높고 지연 시간이 짧다. AI 반도체 칩은 대량의 데이터를 신속하게 처리해야 하는 특성이 있는데, CPO 기술을 통해 이러한 처리 과정에서 발생할 수 있는 병목 현상을 효과적으로 완화할 수 있다. 예를 들어, Corning의 Benoit Fleury는 AI가 데이터 전송의 속도와 대역폭 요구를 급격히 증가시키고 있다고 언급하며, 이러한 변화가 CPO 기술 채택을 가속화하고 있다고 강조했다. CPO 기술은 AI 데이터센터에서 필요한 신속한 전송을 가능하게 하여, AI 기반의 어플리케이션 성능을 극대화할 수 있도록 돕는다.

  • 4-2. 전력망 과부하 완화 기여

  • CPO 기술은 데이터센터의 전력 소비 효율성을 높이는 데 중요한 기여를 하고 있다. 전통적인 구리 케이블을 사용하는 방식은 데이터 전송 시 상당한 전력 손실이 발생하는 반면, CPO는 많은 양의 데이터를 보다 적은 전력으로 전송할 수 있다. 특히, 전력 소비가 30%에서 50%까지 줄어들 수 있다는 분석이 있으며, 이는 대규모 데이터센터에서 수십 메가와트에 달하는 전력 절약으로 이어질 수 있다. 비즈니스에서는 운영 비용 절감을 위해 지속적으로 전력 효율성을 고려하고 있다. AI 데이터 처리 수요 증가는 전력망에 과부하를 주기 때문에, CPO 기술은 이러한 과부하를 완화하고 데이터센터의 에너지 효율성을 높이는 방식으로 전력 자원의 효율적 사용을 촉진하고 있다. 또한, AI와 같은 메가 트렌드로 인해 데이터센터는 더욱 효율적인 전력 관리와 안정성이 필요해지고 있으며, CPO 기술이 이러한 요구를 충족하는 데 큰 역할을 하고 있다.

  • 4-3. 운영 비용 및 탄소 배출 저감

  • CPO는 단순히 성능 향상뿐만 아니라 운영 비용 절감과 환경적 지속 가능성 측면에서도 중요한 혜택을 제공한다. 비용 측면에서 보면, CPO 기술의 도입으로 전 송신에 필요한 장비가 단순화되고, 전력 소비가 감소함에 따라 운영 비용 절감 효과를 기대할 수 있다. 한편, 데이터센터의 운영에서 발생하는 탄소 배출량은 에너지 소모와 직결되어 있다. CPO 기술이 적용된 데이터센터는 전력 효율이 높기 때문에, 온실가스 배출량 또한 줄어드는 결과를 가져온다. 엔비디아의 Kevin Deierling은 CPO 기술의 도입이 탄소 배출 감소에 대한 기여를 강조하며, 이러한 기술이 지속 가능한 데이터센터 운영에 필수적이라고 언급하고 있다. 이러한 측면은 대기업뿐만 아니라 데이터센터 운영자들이 환경적 책임을 갖고 조치를 강구해야 하는 시대적 요구와 긴밀히 연결되어 있다.

5. 시장 전망 및 기술 과제

  • 5-1. 글로벌 시장 성장 예측

  • Co-packaged Optics(CPO) 기술의 글로벌 시장은 올해 9천5백만 달러로 시작되어, 2035년까지 연평균 30% 성장하여 12억 달러를 넘을 것으로 전망되고 있다. 이는 인공지능(AI) 및 고성능 컴퓨팅(HPC) 시스템의 발전과 맞물려 있으며, 특히 CPO가 저전력, 고속 데이터 전송의 필요성을 충족시키기 때문이다. IDTechEX에 따르면, CPO 기술은 데이터 센터와 반도체 업계에서 성장 동력으로 주목받고 있으며, 이는 단순히 데이터 전송 속도를 높이는 데 그치지 않고 에너지 효율성 개선에도 기여하고 있다.

  • 5-2. 상용화 단계 현황

  • 현재 CPO 기술은 상용화 단계에 접어들고 있으며, 글로벌 반도체 기업들이 이 기술에 대한 연구개발(R&D)을 적극적으로 진행하고 있다. 특히, 엔비디아, 인텔, AMD, 브로드컴과 같은 주요 기업들은 CPO 기술을 데이터 센터 및 고속 통신 분야에 적용하기 위해 개발에 박차를 가하고 있다. 또한, 대만의 TSMC와 ASE 등 제조업체들도 이 기술의 상용화를 위한 준비를 하고 있으며, 삼성전자 역시 2027년까지 기술 도입을 계획하고 있다. 이러한 흐름은 CPO 기술의 실제 활용 사례가 증가하고 있음을 나타내며, 이는 전체 시장의 신뢰도를 높이고 있다.

  • 5-3. 기술 상용화 과제 및 해결 방안

  • CPO 기술의 성공적인 상용화에는 몇 가지 기술적 과제가 존재한다. 첫 번째는 패키징 비용의 문제로, 고급 패키지 기술과 소재의 사용으로 인해 높은 제조 비용이 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해, 연구자들은 패키징 공정의 최적화와 같은 방법을 통해 비용 절감 방안을 모색하고 있다. 두 번째는 광-전 변환 효율 문제로, 광 신호와 전기 신호 간의 변환 효율을 극대화해야 한다. 현재 연구개발 중인 새로운 재료와 기술들이 이 문제에 대한 해결책을 제시할 것으로 기대된다. 마지막으로, 설비 호환성 문제 역시 해결해야 할 중요한 요소로, 다양한 데이터센터 인프라에서 사용될 수 있도록 하기 위해서는 호환성을 높이는 방향으로 기술 발전이 필요하다.

결론

  • Co-packaged Optics(CPO) 기술은 데이터센터 네트워크의 병목 해소와 AI 워크로드 처리의 성능 극대화를 동시에 추진하며, 에너지 효율성의 향상에 기여하는 차세대 인프라 혁신으로 자리잡고 있습니다. 이러한 기술은 현시점에서 AI와 고성능 컴퓨팅(HPC)의 요구 사항을 충족하는 데 필수적으로 필요한 요소로 불리고 있으며, 시장의 전망 역시 매우 밝습니다. 시장 조사기관 IDTechEX는 CPO의 글로벌 시장이 2035년까지 연평균 30% 성장할 것이라고 전망하고 있습니다.

  • 그러나 CPO의 성공적인 상용화를 위해서는 몇 가지 기술적 과제를 해결하는 것이 필수적입니다. 패키징 비용, 광-전 변환 효율, 설비 호환성 등은 CPO 기술이 널리 퍼지기 위해 해결해야 할 주요 문제이며, 향후 시스템 통합 및 공정 최적화와 더불어 생태계의 협업을 통한 비용 절감과 표준화가 이 기술의 상용화의 핵심 요소로 작용할 것입니다.

  • 결과적으로, CPO는 데이터센터의 혁신을 위한 중요한 디딤돌이 될 것이며, 이러한 변화는 지속가능한 운영과 더불어 환경적 책임을 다하는 방향으로 나아가는 데 큰 기여를 할 것입니다. 향후 CPO 기술의 발전이 기대되며, 데이터 전송 방식의 패러다임을 근본적으로 변화시킬 가능성을 지니고 있습니다.

용어집

  • CPO (Co-packaged Optics): CPO는 반도체 칩 패키징 내부에 광통신 소자를 통합하여 기존 전기 신호 기반 연결의 한계를 극복하는 기술입니다. 이는 데이터센터 내 AI 워크로드의 병목 현상을 완화하고, 고대역폭과 낮은 지연 및 높은 에너지 효율을 실현하도록 설계되었습니다.
  • 실리콘 포토닉스: 실리콘 포토닉스는 실리콘 웨이퍼를 이용하여 고속 데이터 전송을 가능하게 하는 기술로, 싸고 효율적인 데이터 전송 방식을 제공합니다. CPO의 핵심 기술로 사용되며, 데이터센터에서 데이터 통신의 효율성을 높이는 데 기여합니다.
  • 지연시간: 지연시간은 데이터가 전송되고 수신되는 데 걸리는 시간을 말합니다. CPO 기술은 이 지연시간을 크게 줄이는데 기여하여, AI 기반 애플리케이션의 성능을 극대화할 수 있도록 도와줍니다.
  • 대역폭: 대역폭은 데이터 전송을 위해 사용 가능한 최대 용량을 의미합니다. CPO 기술은 데이터 전송 속도를 증가시켜, 대역폭을 획기적으로 향상시킵니다, 이는 특히 데이터센터에서 AI 워크로드 증가에 적절히 대응하기 위해 필수적입니다.
  • AI 워크로드: AI 워크로드는 인공지능 기반의 시스템이 처리해야 할 데이터의 양과 복잡성을 나타냅니다. 최근 데이터센터 내 AI 워크로드의 급증은 CPO 기술의 필요성을 더욱 부각시키고 있습니다.
  • 전력소비: 전력소비는 데이터 전송 및 컴퓨팅 작업을 수행하는 데 소모되는 전력의 양을 의미합니다. CPO 기술은 전력소비를 절감하여 에너지 효율성을 높이고, 데이터센터의 운영 비용을 절감하는 데 중요한 역할을 합니다.
  • 에너지 효율: 에너지 효율은 동일한 작업을 수행할 때 소비되는 에너지의 양을 줄이는 능력입니다. CPO 기술은 데이터 전송 과정에서 에너지를 효율적으로 사용하도록 설계되어 데이터센터의 에너지 소비를 감소시킵니다.
  • 광패키징: 광패키징은 광학 소자를 통합하여 고속 전송을 가능하게 하는 기술입니다. CPO 기술에서는 실리콘 포토닉스를 기반으로 하여 데이터 전송에서의 에너지 소모를 크게 줄이는 데 기여합니다.
  • 전력망: 전력망은 전력을 생성하고 전송하는 시스템으로, 데이터센터의 운영과 관련하여 전력 자원의 효율적 사용이 요구됩니다. CPO 기술은 전력망의 과부하를 완화하는 데 기여합니다.
  • 시장 전망: 시장은 특정 기술이나 제품의 미래 가치를 예측하는 것을 의미합니다. CPO 기술의 시장 전망은 2035년까지 연평균 30% 성장할 것으로 예상되고 있으며, 이는 데이터센터와 반도체 산업에서의 중요성을 시사합니다.

출처 문서