뉴스에 나오는 ‘실리콘 포토닉스’란? 왜 전기 대신 빛으로 데이터를 보낼까

뉴스에는 ‘실리콘 포토닉스’, ‘CPO’ 같은 말이 자주 나오고, AI 데이터센터가 ‘구리선을 빛으로 대체한다’는 이야기도 나온다. 실리콘 포토닉스(silicon photonics)는 칩을 만드는 방법으로 실리콘 위에 빛이 지나가는 미세한 통로와, 전기를 빛으로, 빛을 다시 전기로 바꾸는 작은 부품을 만드는 기술이다. 이 기술이 풀려는 문제는 칩과 칩 사이, 랙과 랙 사이에서 데이터를 옮기는 속도가 충분히 빠르지 않고 전력도 너무 많이 든다는 것이다. 이를 이해하려면 먼저 지금 데이터를 어떻게 옮기는지부터 알아야 한다.

지금은 데이터를 어떻게 옮길까?

칩 안에서도, 칩과 칩 사이에서도 데이터는 0과 1이 길게 이어진 것이며, 대부분 전기로 보낸다. 전압의 높고 낮음이 0이나 1을 나타내고, 이 신호가 구리로 만든 선을 따라 달린다.

AI 서버 한 대에는 함께 연산하는 칩이 여러 개 있다. 데이터센터에는 서버를 넣어 두는 키 큰 캐비닛이 줄지어 서 있는데, 이를 랙이라고 한다. 이들 사이에서 데이터는 쉴 새 없이 오간다. AI가 왜 계속 데이터를 옮겨야 하는지는 뉴스에서 말하는 ‘HBM’에서 다뤘다. 이 글은 칩에서 메모리까지보다 더 먼 길을 다룬다.

구리선은 왜 갈수록 버거워질까?

빨리 보낼수록 전압이 1초에 오르내리는 횟수가 많아진다. 빨리 변할수록 구리선 위의 신호는 더 많이 손실된다. 전류가 도선 표면으로 몰려 저항이 커지는 것과 같은 효과가 나고, 도선을 감싼 절연 재료도 신호를 일부 잡아먹는다. 선이 길수록 반대편에 도착한 신호는 더 약하고 더 흐릿해진다.

반대편에서도 0과 1을 구별할 수 있도록 양쪽 끝에 회로를 달아 신호를 증폭하고 다듬는데, 여기에 전력이 들고 열도 난다. 그래서 속도가 빠를수록 구리선이 갈 수 있는 거리는 짧아진다. 공개된 이더넷 표준을 예로 들면, 레인 하나가 1초에 0과 1을 100억 개 보내는 세대에서는 구리 케이블의 규정 거리가 약 7미터였지만, 1초에 1,000억 개를 보내는 세대에서는 약 2미터만 남아 같은 랙 안에서 쓸 정도밖에 되지 않는다.

빛은 무엇이 좋을까?

광섬유는 아주 가는 유리 실이며, 빛은 그 안에 갇힌 채 앞으로 나아간다.

• 손실이 아주 적다: 장거리용 광섬유에서 빛은 1킬로미터를 가도 몇 퍼센트만 줄어든다. 그래서 랙과 랙 사이, 도시와 도시 사이는 오래전부터 광섬유로 이어져 있다.
• 한 번에 많이 보낸다: 광섬유 한 가닥에 여러 색의 빛을 동시에 흘려 각자 다른 데이터를 실을 수 있다. 도로 하나를 여러 차선으로 나눈 것과 같다.

대가는 양쪽 끝에서 변환해야 한다는 것이다. 칩은 전기로만 계산하므로, 내보내기 전에 전기 신호를 깜박이는 빛으로 바꾸고, 반대편에 도착하면 빛을 다시 전기로 바꿔야 한다. 이 일을 하는 것이 ‘광 트랜시버 모듈’이라는 작은 상자로, 스위치(데이터를 알맞은 곳으로 전달하는 장비) 앞면에 꽂는다.

실리콘 포토닉스란?

예전에는 이런 변환 부품을 대부분 따로 만든 뒤 조립했다. 실리콘 포토닉스의 발상은 이렇다. 칩을 만드는 방법은 무언가를 작게, 많이 만드는 데 이렇게 뛰어나니, 같은 방법으로 빛의 부품도 실리콘 위에 만들자는 것이다. 흔한 부품은 세 가지다.

1. 광도파로(빛이 지나가는 길): 실리콘 위의 가는 실리콘 선으로, 폭은 약 0.5마이크로미터, 두께는 0.2마이크로미터 안팎이며(1마이크로미터는 1,000분의 1밀리미터), 주위를 유리의 주성분인 이산화규소가 감싸고 있다. 실리콘 포토닉스는 사람 눈에 보이지 않는 적외선(파장 약 1.3 또는 1.55마이크로미터)을 쓰는데, 실리콘은 이 빛에 대해 거의 투명하다. 실리콘 안에서 빛의 속도는 유리 안에서의 약 40%에 불과하다. 두 재료의 차이가 이만큼 크기 때문에 빛은 실리콘 선 안에 갇히고, 아주 작은 곡선도 돌아 나갈 수 있다.
2. 변조기(전기를 빛으로): 레이저가 내는 빛은 계속 켜져 있는데, 변조기가 전기 신호에 따라 이 빛을 아주 빠르게 밝게, 어둡게 바꾼다. 실리콘에서는 광 경로에 움직이는 전하를 조금 넣거나 빼는 방식을 쓴다. 그러면 실리콘 안에서 빛이 나아가는 속도가 조금 달라진다. 빛을 두 갈래로 나눴다가 다시 합치거나, 작은 원형 고리를 한 바퀴 돌게 하면 이 작은 변화가 밝고 어두움으로 바뀐다.
3. 광검출기(빛을 전기로): 빛을 받으면 전류가 생기는 부품이다. 실리콘은 이 빛에 거의 투명해 빛을 붙잡지 못하므로, 흔히 실리콘 위에 저마늄을 작게 키워 붙인다. 저마늄은 또 다른 반도체로, 이 빛을 흡수할 수 있다.

이 부품들은 모두 팹의 방식으로 만든다. 출발점은 흔히 ‘실리콘, 유리, 실리콘’ 샌드위치 구조의 웨이퍼다. 맨 위에 아주 얇은 실리콘층이 있고, 그 아래에 이산화규소층이 깔려 있다. 포토 공정으로 광 경로의 패턴을 찍고, 식각으로 깎아 낸 다음, 막을 올리고, 이온 주입을 하고, 금속 배선을 연결한다. 쓰는 장비도 같은 종류다. 광 경로의 폭과 두께가 빛이 그 안에서 나아가는 방식을 결정하므로, 여기서도 선폭을 계속 지켜봐야 한다.

분명히 구분해야 할 점이 있다. 뉴스에 나오는 실리콘 포토닉스는 대부분 데이터를 ‘보내는’ 일을 맡을 뿐, 빛으로 ‘계산’하는 것이 아니다. 칩 안의 연산은 여전히 트랜지스터가 한다.

코패키지드 옵틱스(CPO)란?

지금 흔한 구성은 광 트랜시버 모듈이 스위치 앞면에 꽂혀 있고, 스위치 칩은 장비 한가운데에 있는 형태다. 전기 신호는 칩에서 출발해 회로 기판 위의 몇 센티미터에서 몇십 센티미터 길이의 배선을 지나야 모듈에 닿아 빛으로 바뀐다. 속도가 빠를수록 이 구간이 버거워진다.

코패키지드 옵틱스(co-packaged optics, CPO)는 ‘전기를 빛으로 바꾸는’ 부분을 스위치 칩과 같은 패키지 안으로 옮겨 칩 바로 옆에 붙여 두는 방식이다. 전기는 몇 밀리미터에서 몇 센티미터만 가면 빛으로 바뀌고, 패키지에서 바로 광섬유로 연결되어 나간다. 길이 짧아지면 신호를 되살리는 회로를 훨씬 단순하게 만들 수 있어 전력을 아끼고, 패키지 둘레로 데이터 경로도 더 많이 낼 수 있다. 이것이 일반적인 설명이며, AI 칩 옆에 두려는 시도도 있다.

이는 뉴스에 나오는 ‘첨단 패키징’과 같은 방향이다. 쉴 새 없이 데이터를 주고받는 칩끼리 더 가까이 붙이는 것이다. 실리콘 포토닉스가 빛의 부품을 충분히 작게 만들어야 패키지 안에 넣을 수 있으므로, 두 용어는 함께 나오는 경우가 많다. 하나는 부품을 만드는 방법이고, 다른 하나는 배치하는 방식이다.

그런데 왜 아직 널리 쓰이지 않을까? 무엇이 어려울까?

• 실리콘은 빛을 잘 내지 못한다: 실리콘은 전기 에너지를 빛으로 바꿔 내보내기가 어려워 쓸 만한 레이저를 만들 수 없다. 그래서 광원은 흔히 다른 종류의 반도체(예: 인화인듐)로 따로 만든 다음 접착하거나 납땜해 붙이고, 아예 패키지 밖에 두고 광섬유로 빛을 들여보내기도 한다.
• 광섬유를 아주 정밀하게 맞춰야 한다: 광섬유에서 빛을 이끄는 코어는 굵기가 약 10마이크로미터인데, 실리콘 위의 광 경로는 1마이크로미터가 채 되지 않아 수십 배 차이가 난다. 위치가 조금만 어긋나도 빛이 크게 줄어든다.
• 열에 약하다: 레이저와 일부 광부품은 온도 변화에 민감해서, 온도가 바뀌면 빛의 색과 세기가 따라 흔들린다. 그런데 스위치 칩 자체가 아주 뜨겁다. 일부 설계에서 광원을 패키지 밖에 두는 이유이기도 하다.
• 고장 나면 교체가 어렵다: 앞면에 꽂는 모듈은 고장 나면 뽑아서 바꾸면 되지만, 패키지 안에 들어간 것은 통째로 바꿔야 할 수도 있다. 그래서 먼저 충분히 테스트한 뒤에 넣어야 하고, 오래 버틸 만큼 튼튼해야 한다.

다음에 뉴스를 보면 이렇게 읽자

• ‘실리콘 포토닉스’: 칩을 만드는 방법으로 실리콘 위에 빛의 부품을 만들어, ‘전기를 빛으로, 빛을 전기로’ 바꾸는 부분을 작게 만든 것이다.
• ‘CPO’, ‘코패키지드 옵틱스’: 빛의 부품을 스위치 칩(또는 AI 칩)과 같은 패키지 안에 넣어, 전기가 몇 밀리미터에서 몇 센티미터만 가면 빛으로 바뀌게 한 것이다.
• ‘구리선을 빛으로 대체’, ‘빛은 늘고 구리는 줄어든다’: 대개 점점 빨라지고 길어지는 몇몇 구간이 빛으로 바뀐다는 뜻이다. 칩 안이나 아주 가까이 붙은 칩 사이는 대부분 여전히 전기를 쓴다.
• ‘광 트랜시버 모듈’, ‘광모듈’: 스위치에 꽂아 전기와 빛을 서로 바꾸는 작은 상자다.

fab24hr에서는

게임에는 실리콘 포토닉스도, 빛으로 데이터를 보내는 칩도 없다. 게임 속 칩 ‘Glowmere’는 가상의 보청기 칩으로, 후공정 공장에서 작은 모듈에 들어가고 가는 금속선(와이어 본딩)으로 연결되어 전기를 주고받는다.

가장 가까운 것은 양산 팹의 포토 구역이다. 그곳의 빛은 회로 패턴을 웨이퍼에 찍는 데 쓰이며, 실리콘 포토닉스의 광 경로도 이렇게 먼저 찍은 다음 식각해 만든다. ‘직장인의 하루’의 ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 공정 엔지니어를 고른 뒤 이름 아래의 ‘포토’를 누르면 포토 공정 엔지니어가 된다. 예를 들어 오후 근무에는 트랙 장비 TRK-01에서 나온 두 로트의 선폭이 한쪽은 넓고 한쪽은 좁아서, 어느 웨이퍼를 리워크할지 골라야 한다.

게임 속 회사, 칩, 인물은 모두 가상이다. 실리콘 포토닉스가 무엇이고 무엇이 어려운지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 전문 용어는 반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이에서 찾아볼 수 있다.