Co-packaged Optics란 무엇입니까?

CPO(Co-Packaged Optics)는 통신에 필요한 핵심 요소, 즉 광학 소자와 전자 소자를 보다 긴밀하게 통합함으로써 오늘날의 많은 데이터를 필요로 하는 네트워크에서 대역폭 밀도, 통신 지연 시간, 구리 도달 범위 및 전력 효율성과 관련되어 점점 증가하는 문제를 해결하는 것을 목표로 하는 접근 방식입니다.

현재, 업계에서는 OIO(광학 입출력) 및 CPO와 같은 다양한 용어를 사용하고 있으며 특히 NPO(Near-Package Optics)가 CPO로 잘못 표시되는 경우가 많기 때문에 혼란이 발생하고 있습니다. 명확히 하자면, CPO의 광범위한 추세는 3D-IC(3차원 집적 회로) 패키지에 광학 소자가 통합된 chiplet 기반 기술로 전환되는 OIO와 동일합니다.

착탈식 광 트랜시버를 넘어

고해상도 비디오 스트리밍, 가상 현실, 사물 인터넷(IoT), 고성능 컴퓨팅(HPC), 인공 지능 및 기계 학습(AI/ML)으로 인해 데이터가 끊임없이 요구되는 세상에서 전 세계적으로 네트워크와 데이터 센터는 대역폭 증가, 지연 시간 감소, 전력 소비량 감소에 대한 필요성이 높아지고 있습니다.

처음에는 장거리 통신에서만 주도 사용되었던 Optics는 단거리에서도 데이터 센터에 사용되어 착탈식 광 트랜시버를 통해 랙 내부 및 랙에 대한 대역폭 밀도를 개선했습니다. 이러한 트랜시버는 100G에서 400G, 800G 및 1.6T로 진화했지만, 특히 AI와 같은 데이터 집약적 애플리케이션에서 전력 소비는 급속도로 불리해졌습니다. 또한 “플러거블”의 대역폭 확장성과 폼 팩터는 6.4T 및 12.8T와 같은 향후 용량에 대한 제한을 야기합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 업계는 CPO 및 OIO에 적극적으로 투자하고 있으며, 새로운 애플리케이션의 변화하는 요구 사항과 미래의 대용량 네트워크 요구 사항을 충족하는 맞춤형 차세대 솔루션을 예고하고 있습니다. IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 및 OIF(Optical Internetworking Forum) 등의 표준화 기관, 컨소시엄, 다중 공급업체 협약 간의 협력은 CPO 솔루션의 사양을 조정하는 것을 목표로 합니다.

Co-packaged Optics의 이점 활용

Broadcom과 Cisco의 초기 CPO 솔루션은 상호 연결 능력이 약 비트당 1pJ 미만으로 전력 소비를 30-50% 절감한 것으로 나타났습니다. Ayar Labs는 비트당 5pJ 미만에서 16Tbps의 양방향 처리량을 입증했습니다. 일반적으로 CPO는 여러 가지 방법으로 절전 기능을 제공합니다.

• 손실이 큰 구리 트레이스 없음: Pluggable Optics와 달리 CPO 설계를 사용하면 ASIC(주문형 반도체) 칩에서 에너지 소모가 큰 구리 링크를 거쳐 전면 패널까지 신호를 전달할 필요가 없어집니다. 대신 CPO 설계에서는 파이버를 스위치로 직접 가져와 칩과 광학 엔진 간에 짧은 저손실 통신이 가능합니다.
  
• 디지털 신호 프로세서(DSP) 감소: 회선당 25G보다 빠른 속도를 제공하는 현재 아키텍처에서 DSP 기반 리타이머는 신호 저하, 왜곡 및 타이밍 문제를 능동적으로 분석하고 보상하기 위해 Pluggable Optics의 필수 구성 요소가 되었습니다. DSP는 전체 시스템 전력을 25-30%까지 높이는 데 기여합니다. 그러나 CPO가 ASIC와 광학소자 간의 손실이 큰 오프칩 구리 트레이스를 없애므로 설계자는 하나의 DSP 레벨을 안전하게 제거하여 전력을 절약하고 비용을 절감할 수 있습니다.
  
• 통합된 레이저: 레이저 소스 배치와 관련하여 두 가지 이론이 있습니다. 널리 사용되는 접근 방식에는 외부 레이저가 포함되는데, 반드시 광섬유를 통해 빛을 투과하고 CPO에 결합해야 하며 일반적으로 30-50%의 광출력 손실이 발생합니다. 대체 접근 방식은 레이저를 칩에 직접 통합하므로 열 관리 및 레이저 안정성이 지원되는 경우 후자의 접근 방식에 비해 현저히 높은 광학 커플링을 제공합니다.
• 높은 대역폭 및 낮은 지연 시간: CPO는 대부분 DSP가 적고 긴 구리 트레이스가 제거되기 때문에 대역폭을 높이고 지연 시간을 줄일 수 있습니다. DSP와 같은 추가 블록 및 구리 트레이스의 기생성분은 모두 CPO 솔루션에서 신호를 인식하지 못하는 지연을 유발합니다.

Co-packaged Optics 적용

네트워킹을 위한 CPO: CPO의 주요 응용 분야는 데이터 센터의 서버를 연결하는 데 사용되는 Front-end 네트워크입니다. 위에서 설명한 높은 대역폭, 낮은 지연 시간 및 전력 효율의 이점 덕분에 CPO는 네트워킹 애플리케이션을 위한 차세대 광학 이더넷 기술을 구현하는 데 유망한 접근 방식입니다.

OIO(AI/ML용 HPC): AI/ML 워크로드를 처리하기 위해 광학 업계는 OIO를 통해 지원되는 AI 백엔드 네트워크라는 새로운 패브릭을 연구하고 있습니다.

컴퓨팅 시 기존의 사일로형 HPC 아키텍처에서 유연성이 떨어지는 리소스 할당 문제는 데이터 전송 속도의 오래된 한계와 합해져 대역폭 용량에서 눈에 띄는 병목 현상과 워크로드 다양성 처리에 있어 비효율성을 발생시킵니다. CPU(중앙 처리 장치) 및 GPU(그래픽 처리 장치)의 처리 속도가 급격이 높아짐에 따라 기존 I/O 인프라는 속도를 따라잡기 위해 고군분투하고 있으며, 처리 장치가 자주 데이터를 기다리는 비효율성으로 이어지고 있습니다.

AI/ML 워크로드에 대한 수요가 증가하면서 이러한 문제는 더욱 중요해지고 있습니다. 따라서 높은 속도, 짧은 지연 시간, 무손실 데이터 전송 및 탁월한 확장성이 특징인 네트워크 패브릭이 필요합니다. 여기에서 현재 상황에 혁신으로 바꿀 준비가 된 OIO의 중요성이 부각됩니다.

HPC의 진화하는 분리형 아키텍처에서는 최첨단 OIO를 통해 상호 연결된 클러스터로 메모리, 컴퓨팅 및 스토리지를 분리하여 사일로 제약을 극복하기 위해 노력하고 있습니다. 이러한 전략적 전환은 동적 리소스 할당을 가능하게 하여 다양한 데이터 센터 워크로드를 처리할 때 기존 아키텍처의 비효율성 문제를 해결합니다.

Co-packaged Optics의 과제 이해

• 벤더 종속적: 단일 벤더에서 스위치와 광학소자를 공급하는 상황에서는 하이퍼스케일러의 유연성과 자율성이 부족할 가능성이 높습니다. 특정 벤더의 에코시스템에 막대한 투자를 한 후에는 다른 벤더의 제품으로 전환하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다. 이로 인해 구성 요소를 쉽게 전환하거나 업그레이드할 수 있는 역량이 제한되어 잠재적으로 종속성 및 제약이 발생할 수 있습니다.
  
• 신뢰성 및 현장 서비스: 착탈식 제품은 고도로 모듈 방식으로 사용되며 장애 발생 시 신속하게 교체하거나 특정 벤더에서 벗어날 수 있습니다. CPO의 경우 광학소자를 교체하려면 전체 스위치를 꺼내야 하므로 복잡한 서비스 작업을 수행하기 위해서는 높은 수준의 전문 지식이 필요합니다. 이러한 과제를 해결하기 위해 일부 CPO 설계에서는 레이저와 같은 고위험 활성 구성 요소를 현장에서 쉽게 교체할 수 있는 원격 플러거블 모듈로 분리합니다. 또한 플러거블 광학 커넥터를 검토하는 곳도 있습니다.
  
• 열 관리: 전기 패키지 내부에 PIC(Photonic Integrated Circuit)를 배치하면 열 누화 가능성이 높아집니다. 포토닉스 모듈의 히터와 레이저 소스에서 나오는 열출력은 패키지의 온도 맵핑에 영향을 주지만, 전기적 모듈에서 생성된 열 및 전체 시스템의 냉각 메커니즘은 PIC의 열 거동에 영향을 줍니다. 따라서 모듈에서 시스템 수준에 이르는 완벽한 열 분석이 필요합니다.
• 신호 무결성 및 전원 무결성: 신호 및 전원 무결성을 보장하려면 전체 시스템의 연속적인 시뮬레이션이 필요합니다. 이를 위해서는 패키징 단계에서 도입된 다양한 유형의 전기적 상호 연결에서 발생하는 추가적인 기생 효과를 고려하면서 일관성 있는 전기 및 포토닉스 회로 시뮬레이션이 필요합니다.
• 확장성 및 비치프론트(beachfront): CPO 및 OIO의 경우 파이버가 일반적으로 에지 커플링되기 때문에 주요 지표는 비치프론트(beachfront) 또는 칩 에지의 대역폭 밀도입니다. 지정된 기판 크기에 대한 파이버 수를 제한하는 최소 파이버 간격 요구 사항이 있습니다. 도파관과 파이버 치수 간의 큰 불일치를 감안할 때 팬아웃은 에지 커플링 솔루션의 본질적인 과제가 됩니다. 기판 크기를 확대하지 않고 수천 개의 파이버를 수용해야 한다고 상상해 보십시오. V-groove를 사용하면 팬아웃 없이 에지 커플링 솔루션을 위해 파이버를 수직 방향으로 설정할 수 있습니다. 마이크로렌즈와의 그레이팅 기반 커플링도 다른 혁신적인 솔루션과 함께 연구되고 있습니다.
• 파이버 연결: 파이버 어레이에서 패키지로 광 신호를 효율적으로 커플링하는 것은 어려운 작업입니다. 파이버 정렬(수동 또는 능동 정렬 방법을 통해 구현) 및 틸트, 구조 및 열 관리, 제조 가능성, 서비스 가능성과 같은 여러 가지 고려 사항이 있습니다. 설계자는 광학 커플링 설계를 신중하게 모델링하고 최적화해야 합니다.
  
• 제조 가능성 및 테스트 가능성: 낮은 비용과 높은 수율은 상업적으로 실용적인 설계를 만드는 원동력입니다. 특히 멀티벤더 공급망에서 일관된 품질과 효율적인 테스트 절차는 수요와 투자를 통해 계속 발전하는 데 있어 반드시 넘어야 할 장애물입니다. 

관련 시장 동향 검토

칩렛의 출현: 칩렛은 기본적으로 단일 칩으로 작동하도록 함께 패키징할 수 있는 작은 개별 모듈이며, 업계는 시스템 온 칩에서 하나의 패키지로 이루어진 칩 시스템으로 전환되고 있습니다. 칩렛은 잠재적으로 CPO 도입에 중요한 역할을 담당하거나 심지어는 이를 가속화할 수 있습니다. 칩렛 방식을 사용하면 여러 기술과 기능을 하나의 패키지에 혼합할 수 있습니다. 예를 들어 OIO 칩렛은 이전 CMOS 노드를 기반으로 하는 반면, ASIC은 보다 첨단 노드를 기반으로 하므로 비용을 절감하고 다이 수율을 높일 수 있습니다.

3D-IC를 통한 통합 밀도: 반도체 산업은 3D-IC 기술을 통한 통합 밀도 향상을 경험하고 있습니다. 오늘날 많은 CPO 방식에는 저손실 기판에 광학 칩과 전기 칩을 나란히 배치하는 것이 포함되지만, 3D-IC의 발전으로 인해 OIO 및 ASIC이 매우 낮은 전력과 매우 높은 대역폭의 칩 간 통신을 사용하여 3D로 통합되는 다중 다이 칩렛 CPO가 가능해졌습니다. 이러한 통합 밀도로 인해 더 크고 복잡한 설계가 이루어지며, 새로운 물리적 효과를 분석하기 위해 다중물리 및 전자기(EM) 시뮬레이션의 필요성이 증가하고 있습니다.

선형 드라이브 Pluggable Optics(LPO): 현재 사용되는 플러거블 기술을 쉽게 포기하지는 않을 것입니다. CPO와 마찬가지로 LPO는 Pluggable Optics에서 DSP를 제거하여 전력 절감 효과를 제공합니다. CPO에 광학소자와 전자소자가 밀접하게 배치됨에 따라 기존의 플러거블 모듈에 비해 소형화가 몇 배나 진행되었습니다. 그러나 이러한 소형화는 플러거블 자체에도 도입하여 부피가 큰 폼 팩터를 개선할 수 있습니다.

시장의 기대를 충족하고 CPO의 실행 가능성에 대한 최종 사용자의 신뢰를 얻으려면 강력한 멀티벤더 비즈니스 모델을 실증하고 상당한 비용 및 전력 절감 효과를 입증해야 합니다. CPO 및 OIO의 도입을 가속화하기 위해 업계 동향과 기술을 활용하려면 광학 커뮤니티에서 IP 블록 및 광학 인터페이스에 대한 표준 등과 같은 몇 가지 누락된 필수 요소가 갖추어져야합니다. 설계 및 시뮬레이션 소프트웨어 공급업체, 장치 및 칩 설계자, 시스템 설계자부터 패키징 업체, 테스트 장비 공급업체 및 파운드리에 이르기까지 공급망의 모든 관계자 간의 협업이 필요합니다. 생태계 구축하는 것은 작은 노력으로 되는 것이 아니며 분명한 시간이 걸립니다. 그럼에도 불구하고 AI/ML과 같은 거대한 응용 분야가 등장함에 따라 경쟁은 시작되었습니다.

Co-packaged Optics 모델링에 대한 자세한 내용은 광학 제품 컬렉션 페이지 및 애플리케이션 갤러리를 참조하십시오. 여기에는 마이크로렌즈 모델링 및 포토닉스 집적 회로용 그레이팅 커플러와 같은 다양한 예제 컬렉션이 있습니다.