[Lumerical] AI 시대, Silicon Photonics & CPO의 중요성
AI 시대, Silicon Photonics & CPO의 중요성
안녕하세요. 래디언트솔루션 Lumerical 담당자 남국현 입니다.
이번 Lumerical 블로그는 요즘 인기가 치솟고 있는 Silicon Photonics와 CPO(Co-Packaged Optics)에 대해서 제 의견과 공부한 내용을 공유해볼까 해요.
이전까지는 간단히 기능 혹은 이론에 대해서만 이야기 드렸다면, 이번에는 좀 주저리 주저리 떠드는 진짜 블로그 같은 느낌으로 전해드리려고 합니다.
PIC, CPO, Silicon Photonics에 대해 전문적으로 배운 적은 없지만… 일단 제가 아는 내용을 전부 작성해 보겠습니다.
먼저! AI 시대에 도대체 왜 Silicon Photonics와 CPO가 중요하지?
최근 뉴스들만 보더라도 실리콘 포토닉스에 대한 뉴스가 매일 하나씩 나오고 있는 상황입니다.
Silicon Photonics, CPO가 이슈된 이유는?
쉽게 이야기하면, 구리 배선으로 대표되는 전기 인터커넥트가 AI의 방대한 데이터를 높은 속도와 낮은 전력으로 이동시키는 데 점점 큰 부담이 되기 때문입니다.
| 해당 그림들을 보시면 HW의 발전속도로 AI가 연산하는 능력은매우 큰 발전이 있었지만 DRAM과 INTERCONNECT의 발전은 상대적으로 낮았습니다. 때문에 Bottleneck, 이른바 병목현상이 생겼습니다. 비유하자면 머리는 진짜 좋은데 손이 느린 느낌일까요??? 이를 해결하기 위한 대표적인 기술 방향이 바로 Silicon Photonics, PIC, CPO 기술입니다!!! |
그럼 Silicon Photonics, PIC, CPO가 뭔데? 먼저 Silicon Photonics!
| 가장 먼저, 왜 Silicon Photonics라고 부를까요? 말 그대로 Silicon을 기반으로 빛을 다루는 기술이기 때문입니다. 그럼 왜 Silicon일까요?? 첫 번째 이유! 실리콘은 이미 반도체 산업에서 공정기술이 많이 발달했습니다. 때문에 대면적 공정으로 웨이퍼에서 정밀한 광소자를 대량으로 제작하기 유리하죠! |
“광소자를 반도체 공정 위에서 작고 정밀하게 만들 수 있다.” |
두 번째 이유는 Silicon의 광학적 특성 때문입니다.
통신 파장대, 특히 1550 nm 부근에서 Silicon은 약 3.48의 높은 굴절률을 갖습니다.
일반적으로 사용되는 SiO₂ cladding의 굴절률은 약 1.44이므로, 두 물질 사이에 큰 굴절률 차이가 형성됩니다.
그럼 이제 Photonics라는 말이 무엇일까요?
처음 Photonics 분야를 접하면 굉장히 많이 듣게 되는 단어입니다.
Photonics, Photonic device, Photonic circuit처럼 계속 등장합니다.
저도 처음 이 분야를 접했을 때 가장 기본적으로 궁금했던 것 중 하나가 ‘Photonic이 정확히 무슨 뜻이지?’ 였습니다.
이건 Electronics와 비교하면 상당히 쉽게 이해할 수 있습니다.
그럼 Electronics와 Photonics의 차이는 어디에서 볼 수 있을까요?
| 기존 자료의 ‘Electronics는 약 10 GHz, Photonics는 그 이상’이라는 표현은 정량적인 한계값으로 이해하면 정확하지 않습니다. 현대 전자소자도 수십~수백 GHz 영역까지 동작할 수 있고, 광통신의 실제 데이터 속도 역시 Modulator, Photodetector, Driver, TIA, SerDes 등 전체 시스템의 bandwidth에 의해 결정됩니다. 다만 Photonics는 낮은 전송 손실과 WDM을 이용한 병렬 전송 측면에서 매우 큰 장점을 가질 수 있습니다. 앞서 이야기 드렸던 것처럼 병목현상으로 인해 데이터 이동이 현재의 중요한 문제점이 되고 있고, 이를 해결하기 위해 Photonics가 도입되고 있다고 생각해 주시면 됩니다. |
그다음은 PIC입니다.
PIC는 보통 한글로 피아이씨라고 읽고, 간혹 픽? 핔 이라고 읽기도 합니다!
PIC는 Photonic Integrated Circuit의 약자입니다.
우리말로 표현하면 광집적회로 정도로 이야기할 수 있습니다.
조금 더 쉽게 풀어보면, 빛을 전달하고, 나누고, 변조하고, 검출하는 여러 광소자를 하나의 칩 위에 집적한 회로라고 이해하면 됩니다.
PIC 안에서는 어떤 일이 일어날까요?
먼저 Waveguide가 있습니다. Waveguide는 말 그대로 빛이 이동하는 통로입니다.
전자회로에서 금속 배선이 전기 신호의 이동 경로라면, PIC에서는 Waveguide가 광신호의 이동 경로 역할을 합니다.
그다음 Modulator가 있습니다. Modulator는 전기적인 데이터 신호를 이용해서 빛의 세기나 위상 등을 변화시킵니다.
즉 단순히 계속 켜져 있는 빛에 우리가 전달하고 싶은 정보를 실어주는 역할을 합니다.
또 Splitter와 Coupler를 이용하면 빛을 여러 경로로 나누거나 다시 결합할 수 있습니다.
Ring Resonator를 이용하면 특정 파장의 빛만 선택하거나 필터링할 수도 있습니다.
그리고 마지막으로 Photodetector에서는 들어온 광신호를 다시 전기 신호로 변환할 수 있습니다.
따라서 하나의 PIC 안에서는 빛을 입력하고, 전달하고, 나누고, 변조하고, 필요한 파장을 선택하고, 마지막에는 다시 전기 신호로 변환하는 다양한 기능을 하나의 작은 칩 안에서 구현할 수도 있죠!
그 다음 CPO!!
CPO를 풀어서 작성하면 Co-Packaged Optics입니다.
여기서 Co는 ‘함께’, Packaged는 ‘패키징된’, Optics는 ‘광학’이라고 보면 됩니다.
간단하게 말하면 전자 칩과 광학 엔진을 같은 패키지 수준에서 매우 가깝게 통합하는 구조입니다.
아래 그림을 보시면 조금 더 이해가 쉽습니다.
| 전기 신호가 PCB 위를 길게 이동할수록 신호의 손실과 전력 소모가 증가하고 고속 신호를 안정적으로 전달하기 점점 어려워집니다. 그래서 전자 칩 ASIC과 광학 엔진을 하나의 패키지 수준으로 매우 가깝게 통합하여, 대역폭·에너지 효율·지연시간에서 광의 이점을 가져오는 방향으로 발전합니다. |
Silicon Photonics, PIC, CPO를 한 번에 연결해서 보면
처음에는 세 용어가 비슷하게 들리지만, “플랫폼 → 칩 → 패키지/시스템 아키텍처”라고 생각하면 훨씬 이해하기 쉽습니다.
여기까지 Silicon Photonics, PIC, CPO까지 설명이었습니다.
1부는 여기까지 말씀드리고, 2부에서는 Lumerical을 이용해 분석 가능한 PIC 소자를 설명해 드리겠습니다.
Waveguide, Coupler, MMI, Ring Resonator, Modulator 같은 실제 PIC 소자를 보면서 MODE, FDTD, EME,
INTERCONNECT에서 무엇을 분석할 수 있는지 이어서 이야기해 보겠습니다.
다음 포스팅을 기대해 주세요!
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