실리콘 포토닉스 / 미래 AI 데이터 센터의 필수 기술 Integrated Photonics의 핵심 기술적 과제와 해결 방안 정리 (1) 배경

 

엔비디아가 광학 기반의 데이터 전송 컨셉을 본격적으로 소개하면서 매우 핫해진 실리콘 포토닉스, 그 중에서도 leading edge technology인 Co-Packaged Optics에 대해서 리뷰논문을 중심으로 정리해 보았습니다.

참고: 리뷰 (or Perspective) 논문이란?
일반적인 연구 논문(research paper)은 실험/분석 결과 중심이지만, 리뷰 논문은 분야 전문가(관련 분야 대가들 정도만 보통 논문 투고가 가능합니다.)들이 현재 기술의 병목과 미래 방향을 제안하는 논문. 오히려 투자자들은 연구 논문보다는 리뷰논문을 통해 기술/산업적으로 어떤 병목을 해결해야 하는지 파악하는 데 유용

 

CPO (Co-Packaged Optics): 최대한 ASIC(CPU, GPU 등)으로 가까이 Photonic 소자를 붙여서 패키징 하겠다! 그러면 빠르고 전력소모가 크게 줄어든다. (출처: Toward lower-diameter large-scale HPC and data center networks with co-packaged optics)

 

 

1. 개요: 논문에서 다루었던 6가지 해결해야할 문제들

CPO에서는 아래와 같은 기술적 도전과제가 존재하고, 관련한 유망한 해결 방안을 확인해 봅시다.

 

1. On/off-chip 광 결합	광신호를 칩 안팎으로 정확히 주고받는 기술 (ex. 광파이버 정렬)
2. 레이저 패키징	온칩 또는 하이브리드 레이저를 안정적으로 탑재하기 위한 기술
3. 전자-포토닉 공동 패키징	전자회로와 광회로를 하나의 모듈로 집적
4. 열 관리 설계	광소자(특히 액티브 소자)의 열 민감성 해결
5. 신흥 응용(센서, 이미지 등)	다양한 환경 요구를 갖는 응용에 특화된 패키징 기술
6. 설계 규칙의 표준화	산업 전반의 확산을 위한 인터페이스, 구조 표준화 작업

 

2. 배경: Co-Packaged Optics (CPO)의 병목은 패키징에 있다.

2.1. 포토닉스 chip은 기존 파운드리 활용하여 만들 수 있을 것 같은데...

• Integrated Photonics or PIC (정확한 표현은 아니지만, 위 그림에서 주황색 소자, OPTICS라고 생각하심 편합니다.)
  • 전통적으로 광 시스템은 개별 광소자를 수작업으로 정렬 및 조립해야 했음. Integrated photonics는 이를 칩 위에 회로처럼 구성함으로써 소형화, 집적화, 자동화가 가능해짐.
  • 전자 회로(IC)의 ‘광학 버전’이라 볼 수 있는 기술로, 광 기반 기능들을 칩 위에 집적.
  • 기존 반도체 제조 공정(파운드리 기반)을 활용할 수 있어,
    • 생산 효율 ↑ (수율 향상, 성능 안정성 확보)
    • 비용 ↓ (대량 생산 가능)
    • 전력 소모 ↓ (고속, 저전력 연산 가능)

• Foundry 기반 제조란?
  TSMC, 삼성, GlobalFoundries 같은 반도체 위탁생산업체(Foundry)에서 CMOS 기반으로 PIC를 만들 수 있다는 뜻.
  → 기존 반도체 기술을 활용할 수 있으므로, 대량 생산 및 신뢰성 확보가 쉬움.

• 핵심 요지
  → PIC는 기존 전자산업의 제조 인프라를 그대로 활용하면서도, 광학 기술의 응용을 획기적으로 확장할 수 있는 플랫폼이라는 점에서 매우 매력적임.

 

2.2. 만들어진 Chip들을 패키징하는 것은 기술 개발 필요

• 포토닉스 Chip 제작 vs. 포토닉스 패키징 기술
  • PIC 칩 제조 공정은 대량 생산이 가능하고 경제적 효율을 얻을 수 있지만,
  • 패키징 공정은 그렇지 않다 → 자동화·표준화가 어려움.
• 포토닉스에서도 패키징이 그렇게 중요한가?
  • 실리콘 포토닉스 모듈의 제조비 대부분이 패키징에서 발생 → 기술 상용화의 가장 큰 장벽 중 하나.
    
    • 전자 IC의 경우 패키징 비용은 전체의 약 20% 수준.
    • 포토닉스는 70~80% → 3~4배 이상 차이.
• 요약하자면, 기존 파운드리 인프라를 활용해서 PIC 칩을 대량 생산하더라도, 실제 시스템에 사용하기 위해선 패키징 과정이 필요하지만, 이 단계가 현재 기술 보급의 병목이 되고 있다. 패키징 비용이 높고, 공정 속도가 낮아 대량생산이 어렵다.

 

3. 배경: 포토닉 소자의 패키징이 어려운 이유

3.1. 전기만 연결하는 것도 어려운데... 빛도 연결 해야된다고?

• PIC는 단순히 전기적 연결만이 아니라, 광학적 정렬, 열적 접합, 화학적 안정성까지 필요.
• 빛과 전기가 동시에 데이터 전송 역할을 수행하기 때문에, 전기적 연결과 더불어 광학 연결도 필수적으로 고려해야하는 것

 

3.2. 구체적으로 뭐가 어려운건데?

• 정밀한 정렬 요구
  • 광신호는 미세한 정렬 오차로도 손실 발생
  • 파장 의존성(wavelength-specific behavior) 광소자는 특정 파장에서만 작동하는 경우가 많음 (예: CWDM, DWDM 시스템).
    → 정렬이 조금만 틀어져도 손실이 급격히 증가하거나 기능이 정지함.
  • 기존의 전자 패키징 방식(픽 앤 플레이스: 정해진 위치에 빠르게 놓고 온다. 생산성 높음)과는 맞지 않음
  • 공정마다 차이가 있지만 실시간으로 정렬을 추적하면서 패키징을 하거나, 광 신호를 실시간으로 보면서 광 신호가 최대가 되는 지점에 패키징 해야하는 공정 존재 → 느리고, 비싸다.

픽 앤 플레이스(Pick-and-place)
반도체 조립 공정에서 칩이나 부품을 기판에 자동으로 배치하는 장비.
전자칩은 수 마이크로미터 정밀도면 충분하지만, 광정렬은 수백 나노미터 이하의 정밀도를 요구함

 

• 이종 통합 필요
  • PIC는 실리콘, 인듐인, 리튬나이오베이트 등 다양한 소재로 만들어져 다양한 패키징 기술이 필요함.
• 열 관리 이슈
  • 광소자는 온도에 민감하므로, 패키지 내에서 열 관리를 정교하게 해야 함.
  • 마이크로링 공진기: 온도가 바뀌면 굴절률 변화 → 공진 파장 이동
  • 반도체 광 증폭기: 온도에 따라 이득(gain)과 잡음 특성 변화
• 전기-광 연결 인터페이스 복잡성
  • CPO에서는 광소자와 전기소자를 칩 수준에서 결합해야 하므로 더욱 복잡한 패키징 구조가 요구됨.  

 

3.2. 관련 기술/생태계의 미성숙

• 아직 활용할 적당한 장비가 많지 않다.
  • 전자 패키징은 대량 생산용 장비 및 인프라가 이미 존재 → 저비용 고처리량 가능
  • 포토닉 패키징은 맞춤형 장비가 필요 → 자동화/대량화 어려움
  • 광소자의 정렬, 파장 정합, 열 안정성 테스트는 별도의 전용 장비가 필요
  • 특히 액티브 소자(레이저, 광 증폭기, 광 변조기 등)는 전력 소모, 발열, 정렬 민감도 등 훨씬 높은 공정 요구 조건
  • 따라서, 기존 전자 패키징 장비를 적당히 사용하기 어렵다.
• 많지 않은 장비가 다 따로 논다.
  • 설계, 설비, 공정 간 표준화 부족 → 산업 생태계 파편화
  • 각 패키징 회사가 서로 다른 규칙 사용 → 호환성 없음
  • 설계/제조 공정 간 연계가 안 됨 → 기술 공유와 확장이 어려움
• 결과적으로, 아직 표준도 없고 관련 기술 생태계도 성숙되지 못했기 때문에, 비용 상승의 요인이 됨
• 반 상용품 처럼 연간 수 십, 수 백대 만들어지는 장비와 특정한 목적에 맞게 만들어지는 스페셜티 제품은 비용이 다를 수 밖에
• 심지어 도입할 공간(클린룸)도 포토닉 설비에 맞게 조정이 필요할 수 있다.

 

4. 심지어 응용 분야마다 요구사항이 다 다르다... 파운드리의 파운드리...

 

• 하나의 패키징 생태계를 구성하는 것도 어려운데, 심지어 응용 분야마다 요구사항이 서로 다름

 

4.1. 예를 들면...

• 포토닉-전자 칩 공동 패키징 (co-packaging in MCM)
  • 고속 데이터 통신용
  • 전기 및 광학 인터페이스를 동시에 통합해야 함
  • 전기적 간섭, 신호 정합, 열 방출 문제 등 해결 과제 증가

MCM (Multi-Chip Module)
여러 개의 칩(전자, 포토닉 등)을 하나의 기판에 통합한 패키징 방식.
데이터 센터, AI 컴퓨팅 등에서 높은 대역폭과 짧은 거리의 고속 통신을 위해 사용됨.

 

• 포토닉 센서
  • 센서용 광도파로는 외부 환경과 접촉하기 때문에:
    • 표면에 화학적 기능화 필요 (예: 특정 물질에 반응)
    • 오염 방지 및 보호막 필수
    • 시료를 전달하거나 측정하는 시스템과의 기계적 결합도 요구됨

 

• 광기계 시스템 (optomechanics)
  • 정밀 기계구조가 광학 신호를 조작 (예: 진동, 가속도 측정 등)
  • 습기, 온도 등 외부 환경에 민감 → 밀봉(hermetic)된 패키지 필수

Hermetic packaging (밀폐형 패키징)
외부 공기, 수분, 먼지 등이 완전히 차단된 패키지.
MEMS, optomechanics 같은 정밀 장비에서 주로 사용됨.

 

 

4.2. 정리:  응용 분야 별 Photonics 패키징 요구 조건

Co-packaging	광-전 통합, 신호 정합, 열 제어, 전기적 간섭 문제 해결
포토닉 센서	광도파로 기능화, 보호, 시료 시스템 통합
Optomechanics	외부 환경 차단 위한 밀봉, 고정밀 기계-광학 정렬

 

Reference

• Integrated Photonics Packaging: Challenges and Opportunities, https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c00891
• Toward lower-diameter large-scale HPC and data center networks with co-packaged optics, DOI:10.1364/JOCN.402676