CPO 발전 흐름, 그리고 CPO와 LPO 차이점

1. CPO란?

CPO(Co-Packaged Optics)란? 한국말로 직역하자면 '공동 패키지 광학??'이라고 할 수 있습니다. 현재 시장에서 CPO는 데이터 센터 내 고성능 스위치, 또는 GPU 및 CPU와 같은 연산 칩 바로 옆에 광학 엔진(Optical Engine)을 하나의 패키지로 묶는 기술을 말합니다. 기존 데이터 센터 내부는 전기 신호를 빛의 형태로 바꿔 빠르게 주고 받았습니다. CPO는 이러한 데이터 흐름을 빛의 형태로 더 빠르게 주고받기 위해 만들어진 차세대 반도체 패키징 기술을 말합니다.

2. CPO 등장 배경

위 이미지는 2024년에 네트워크 속도의 발전을 예측한 그래프입니다. 한편 현재 데이터 센터 내의 네트워크 속도는 1.6T(8X200G)까지 기술 진보가 빠르게 진행되고 있습니다. 이와 관련된 대표적인 기업은 바로 $AVGO $MRVL 입니다. 두 기업의 200G serDes 기술의 안착을 생각보다 빨랐는데요. 그 결과 200G/lane DSP가 이미 양산 단계에 접어들었고, 1.6T 시대를 맞이할 수 있게 되었습니다. 한편으로 3.2T-XD (16x200G)는 현재 연구실 단계를 넘어 시제품(Prototype) 및 초기 검증 단계에 있습니다. 이를 미뤄볼 때, CPO 기술의 도입이 예상보다 빠르게 검토되고 있습니다.

그렇다면 네트워크 속도의 증가와 CPO는 어떤 연관성이 있을까요? 기존에는 광모듈과 칩들이 따로따로 있었습니다. 즉, 전기 신호를 빛으로 전환하는 장치가 연산 칩과 멀리 떨어져 배치된 구조였습니다. 이로 인해 두 부품 사이를 PCB 위의 구리 배선으로 연결해야만 했습니다. 문제는 데이터 전송 속도가 고속화될수록 발생합니다. 전기 신호가 구리 배선을 통과할 때 발생하는 신호 감쇄와 왜곡이 심해지기 때문입니다. 이를 보정하기 위해 더 많은 전력을 소모하여 신호를 증폭시켜야 하며, 이는 곧 막대한 에너지 소비와 발열 문제로 직결됩니다. CPO는 이러한 물리적 거리를 극대화로 줄여 전력 효율을 개선하고 신호 손실을 최소화하는 차세대 솔루션입니다.

현재 기술은 1.6T까지 발전했고, 곧 3.2T에 도달할 것으로 예상되면서 전력 소모 문제는 더욱 두드러졌습니다. CPO의 초기에서는 상당한 전력 절감 효과를 보여주었으며, 이는 플러그형 광모듈 대비 최대 4배의 에너지 효율을 보였습니다. 향후 1.6Tbps, 3.2Tbps 이상의 네트워킹 아키텍처에 CPO 도입은 필수적이며, 그 중요성은 더욱 중요해질 것으로 보입니다.

3. CPO 혁신 순서

3.1. 먼저 전력 장벽이라는 한계에 부딪힌 이너넷 스위치

위 사진은 AI 데이터 센터 붐이 본격화되기 전, 클라우드 서비스를 위해 설계된 현대적인 이더넷 스위치입니다. 2010년대 후반부터 널리 사용된 이 장비들은 전통적인 플러그형(Pluggable) 광모듈 방식입니다. 하지만 이러한 네트워크 구조는 곧 '물리적 한계'에 직면하게 됩니다. 그 주요 문제는 3가지입니다.

• 첫째, 당시 찾아온 102.4Tbps 시대에는 800G 모듈 128개가 필요했습니다. 그래서 위 사진과 같은 광모듈을 꽂아야합니다. 그런데 문제가 발생합니다. 표준 규격 스위치의 전면에는 128개만큼의 모듈을 꽂을 물리적 공간이 절대적으로 부족합니다.

• 둘째, 스위치는 겉보기에 단순한 공유기처럼 보입니다. 예를 들어 공유기의 크기를 생각해보세요. GPU 신호가 지나가는 관제소가 10~20cm를 이동해야 합니다.내부의 미세 공정에서는 수 cm의 이동 거리조차 심각한 신호 손실을 유발하는 일종의 장벽이 됩니다.

• 셋째, 이러한 이너넷 스위치에 신호를 복구해주고, 빠르게 이동시켜주기 위해서는 고성능 DSP가 필수적입니다. 하지만 DSP는 스위치 광학 연결 전력의 30~50%를 점유할 만큼 막대한 에너지를 소모합니다.

폭발적인 데이터 처리가 요구되는 AI 시대에는 클라우드 시대보다 훨씬 심각한 데이터 병목 현상이 발생합니다. 이것이 바로 네트워크 인터커넥트의 혁신, 즉 LPO나 CPO 기술이 이더넷 스위치 단에서 가장 먼저 요구되는 핵심 이유입니다.

3.2. 첫번째 병목해결사, 이더넷 스위치(Switch)에서 시작된 CPO 혁신 : 올해 적극적으로 도입 될 것, 2020 ~ 2026

위 사진은 브로드컴의 최신 이더넷 스위치 칩셋인 Tomahawk 5 기반의 CPO 모듈입니다. 앞서 본 사진들과 달리 장비(= 공유기처럼 생긴 Box)가 아닌 반도체 칩이 등장했죠? 과거 네트워크 시장은 시스코(Cisco)처럼 하드웨어와 소프트웨어를 직접 설계해 비싼 완제품을 파는 회사들이 지배했습니다. 하지만 브로드컴은 이 판도를 뒤집었습니다. 브로드컴이 범용 스위치 칩을 압도적인 성능으로 만들어 내놓자, 구글이나 아마존 같은 빅테크 기업들이 굳이 비싼 시스코 장비를 살 필요가 없어진 것입니다. 브로드컴 칩을 사서 껍데기(=Box)만 씌우면 최고 성능의 스위치가 되니까요.

물론 단점이 존재합니다. 과거 이더넷 스위치는 장비 전면에 수많은 광모듈(Pluggable)을 일일이 꽂아야 했습니다. 이 방식은 유지보수는 쉬울지 몰라도, 전기 신호를 멀리 보내기 위해 막대한 전력을 낭비하고 공간을 많이 차지하는 비효율이 존재했습니다. 하지만 위 사진처럼 광학 엔진을 칩 바로 옆에 통합시킨 CPO 방식은 이 문제를 해결했습니다. 거추장스러운 외부 모듈과 복잡한 배선을 제거하고, 가장 중요한 칩과 광학 엔진을 한 몸으로 만들어 전력 소모를 50% 이상 줄이고 데이터 처리 밀도를 극대화한 것입니다. 이에 따라 2020년대에 들어서며 브로드컴과 마벨의 칩을 사용하는 것은 이제 업계의 표준 되었습니다. 흥미로운 점은, 하드웨어 생태계를 개방하며 성장한 브로드컴이 이제는 압도적 점유율을 바탕으로 ...