AI 발열·병목 해결할 '光반도체' 주목…업계 기술개발 속도

[이데일리 공지유 기자] 아마존·구글 등 글로벌 빅테크 기업들이 인공지능(AI) 서버의 발열과 병목 문제를 해결할 수 있는 ‘광’(光) 반도체 기술에 주목하고 있다. 반도체 업계도 이에 발맞춰 관련 기술개발에 속도를 내고 있다. 광 반도체가 차세대 AI 반도체 시장의 ‘게임 체인저’가 될 전망이다.

(그래픽=김정훈 기자)

고성능 AI 수요 증가…차세대 기술 주목

실리콘 포토닉스로 불리는 광 반도체 기술은 전기 신호를 레이저 빛으로 변환해 처리·전송하는 기술이다. 기존 반도체에서는 구리 배선을 통해 데이터 정보를 전달했는데, 속도가 높아지면 전력 소모가 늘어나고 데이터가 손실되거나 병목 현상이 일어날 수 있다는 문제가 있었다.

실리콘 포토닉스는 빛을 통해 먼 거리까지 데이터를 빠르게 안정적으로 전송할 수 있다. AI 반도체의 최대 난제인 발열과 병목 문제를 모두 잡을 수 있다는 장점이 있다. 최근 고성능 AI 데이터센터에 대한 수요가 급속히 늘어나는 만큼, AI 가속기의 대역폭을 늘리고 전력 문제를 해결할 수 있는 차세대 기술로 주목받고 있다.

글로벌 빅테크 기업들은 빠르게 관련 투자를 늘리면서 기술 확보에 나서고 있다. 아마존웹서비스(AWS)는 최근 주문형 반도체(ASIC) 설계 기업 마벨 테크놀로지의 실리콘 포토닉스 제품을 2030년 말까지 회사 서버에 적용하기로 하고, 마벨 주식을 최대 9000만달러(약 1300억원)까지 주당 약 87달러에 매수할 수 있는 권리를 부여받았다. AWS는 ST마이크로일렉트로닉스와도 광 트랜시버 반도체 공급 계약을 맺었다.

엔비디아는 실리콘 포토닉스를 기반으로 한 차세대 AI 네트워크 스위치 ‘스펙트럼-X’와 ‘퀀텀-X’를 통해 그래픽저장장치(GPU)를 연결하는 시스템을 선보였다. 엔비디아는 이같은 기술을 활용해 AI 팩토리와 슈퍼컴퓨팅 센터의 전력 소모와 발열 문제를 줄이고 연산 속도를 획기적으로 높인다는 계획이다. 구글도 데이터센터 네트워크를 설계할 때 광 기반 기술을 핵심으로 두고 있으며, 실리콘 포토닉스를 포함한 연구를 진행하고 있다.

마벨이 개발한 반도체.(사진=로이터)

팹리스·파운드리 업계도 기술개발 속도

반도체 기업들은 특히 공동 광학 패키징(CPO) 기술 개발에 주력하고 있다. 기존에는 데이터를 주고받는 처리장치인 트랜시버를 기기 바깥에 붙였다면, CPO는 광 트랜시버를 칩 바로 옆에 붙여 한 패키지로 통합하는 기술이다. 이를 통해 데이터 처리 속도를 높이고 전송 과정에서의 병목을 해결할 수 있다.

대표적으로 마벨이 CPO 기술 개발에 속도를 내고 있다. 마벨은 실리콘 포토닉스 전문 기업 셀레스티얼AI를 32억5000만달러(약 4조8000억원)에 인수하며 관련 기술 개발에 속도를 내고 있다. 최근에는 애널리스트 대상 설명회를 열고 실리콘 포토닉스 및 CPO 기술 로드맵도 공개했다. 마벨은 2027년까지 CPO 엔진을 개발해 샘플 출하한다는 계획이다. 업계에서는 AWS의 데이터센터에 관련 솔루션이 적용될 것으로 보고 있다.

브로드컴도 차세대 실리콘 포토닉스 기술 개발을 지속하고 있다. 브로드컴은 올해 세 번째 세대 CPO를 기반으로 한 ‘토마호크 6’ 스위치를 출시하는 등 데이터센터 네트워크 맞춤형 제품을 내놓고 있다. 니어 마갈릿 브로드컴 부사장은 내년 4월 미국 실리콘밸리에서 열리는 ‘글로벌 반도체 경영진 서밋(ISES) USA 2026’에서도 CPO 등 실리콘 포토닉스 기술력을 소개할 예정이다.

반도체 위탁생산(파운드리) 기업들도 데이터센터 속도를 높이는 CPO 시장을 공략하고 있다. TSMC는 시장 큰손인 엔비디아와 손잡고 상용화에 속도를 내고 있다. 삼성전자(005930)도 CPO 핵심 인력을 영입하는 한편, 글로벌 연구개발(R&D) 센터를 통해 CPO 패키징 기술개발에 속도를 내고 있다. 업계 관계자는 “AI 성능이 고도화하면서 차세대 실리콘 포토닉스에 대한 요구도 높아지고 있다”며 “이에 업계에서도 관련 역량 강화에 나서고 있는 것으로 보인다”고 말했다.