CPO(Co-Packaged Optics)란 무엇인가: AI 데이터 센터 인터커넥트에서 CPO에 대한 완벽 가이드

기술적 배경: AI 컴퓨팅 클러스터 기반의 광 상호 연결

기존 데이터센터 상호 연결의 한계점

대규모 언어 모델 학습을 위한 GPU 클러스터의 대규모 배포로 데이터 센터 전송 성능에 대한 요구 사항이 높아졌습니다. 기존 데이터 센터는 구리 트레이스와 플러그형 광 트랜시버를 조합하여 사용하는데 , 이는 세 가지 주요 기술적 한계를 가지고 있습니다. 첫째, 인쇄 회로 기판(PCB) 상의 장거리 구리 전송은 상당한 신호 감쇠를 유발하여 신호 보상을 위한 디지털 신호 처리기(DSP)를 필요로 하며, 결과적으로 전력 소비가 상대적으로 높습니다. 둘째, 기존 스위치의 포트 밀도는 전면 패널 레이아웃에 의해 물리적으로 제한되어 100Tb/s 이상의 대역폭 반복을 지원하기 어렵습니다. 셋째, 전기 신호는 불안정한 지연 시간을 가지므로 대규모 GPU 협업 컴퓨팅에서 그래디언트 동기화 효율이 저하됩니다.

대규모 GPU 기반 AI 컴퓨팅 시설에서 광 상호 연결 전력 소비는 전체 컴퓨팅 전력 소비의 약 10%를 차지합니다. 기존 상호 연결 솔루션의 고유한 단점이 점점 더 명확해짐에 따라 근본적인 아키텍처 최적화에 대한 요구가 커지고 있습니다.

CPO 기술의 산업적 위치 설정 및 개발

코패키지드 옵틱스(CPO)는 첨단 패키징 공정을 통해 광학 부품과 컴퓨팅 칩을 통합하는 이종 광전자 집적 기술입니다. 2026년은 CPO의 최초 상용화 시점으로 널리 예상되고 있습니다. TSMC의 COUPE 3D 패키징 공정 양산과 브로드컴 및 엔비디아의 상용 스위치 출시로 CPO는 실험실 검증 단계를 넘어 산업 현장에 적용되기 시작했습니다. 하이퍼스케일 AI 데이터 센터를 위한 유력한 기술 솔루션 중 하나인 CPO는 저전력 소비, 고대역폭 밀도, 안정적인 저지연이라는 세 가지 장점을 제공합니다.

CPO 개념: 정의, 설계 논리 및 기술적 포지셔닝

학술적 정의와 쉬운 언어로 된 정의

● 학술적 정의 : CPO는 2.5D 및 3D 첨단 패키징 기술을 활용하여 ASIC 스위치 또는 AI 가속기의 동일한 패키징 기판에 광자 집적 회로(PIC)와 전자 집적 회로(EIC)를 통합합니다. 이를 통해 전기적 상호 연결을 밀리미터 수준으로 단축하고 기존 DSP 리타이머를 제거하여 칩 수준의 직접적인 광전자 변환을 구현합니다.

● 쉬운 설명 : CPO는 스위치 칩에 외부 광 트랜시버를 내장하여 칩과 광섬유 간의 물리적 전송 거리를 줄입니다. 중복되는 신호 처리 구성 요소를 제거함으로써 하드웨어 전송 구조가 단순화되어 전력 효율성과 데이터 전송 속도가 향상됩니다.

기본 디자인 철학

CPO는 널리 인정받는 ' 짧은 전기 경로, 긴 광 경로' 설계 원칙을 따릅니다 . 고주파 안정성이 떨어지는 전기 신호는 구리 기반 신호 손실 및 왜곡을 방지하기 위해 밀리미터 규모의 단거리 전송으로 제한됩니다. 광섬유는 장거리 대용량 데이터 전송에 적용되어 전송 안정성과 커버리지를 보장하며, 현대 데이터 센터의 기본 상호 연결 체계를 재구성합니다.

CPO 핵심 가치에 대한 정량적 평가

기존의 플러그형 광 모듈과 비교했을 때, CPO는 성능 면에서 상당한 향상을 보여줍니다. 상호 연결 전력 소비는 60~70% 감소하고, 대역폭 밀도는 100% 이상 증가하며, 신호 왜곡률도 감소합니다 . 대규모 GPU 클러스터의 경우, CPO는 초기 하드웨어 구축 비용을 3~21% 절감하는 데 도움을 줄 뿐만 아니라 장기적인 운영 비용 관리 측면에서도 더욱 큰 이점을 제공합니다.

CPO 하드웨어 아키텍처 및 구성 요소 분석

CPO 시스템은 고밀도 광 라우팅을 위한 맞춤형 수동 광학 어셈블리(예: 광섬유 어레이 유닛(FAU) 및 광섬유 셔플)를 포함하는 고도로 컴팩트한 이종 통합 물리적 구조를 채택합니다. 개별 플러그형 트랜시버와 달리 모든 광자 및 전자 다이는 단일 유기 패키징 기판 내에 내장되어 밀리미터 스케일의 상호 연결을 갖는 통합 광전자 공동 패키징 구조를 형성합니다. 전체 하드웨어 구조는 컴퓨팅 제어 계층, 광전자 변환 계층, 광원 공급 계층 및 광섬유 전송 계층의 네 가지 상호 독립적이면서 협력적으로 기능하는 계층으로 나뉩니다. 각 계층은 표준화된 다이, 고밀도 광섬유 라우팅 구성 요소, 수동 광학 장치 및 열전도 구조를 포함합니다. 내부 물리적 구성, 적층 형태 및 구조적 특성은 아래에서 자세히 설명합니다.

CPO의 네 가지 아키텍처 계층 소개

CPO의 6가지 하드웨어 구성 요소 소개

● 스위치 ASIC/AI 가속기 : 핵심 라우팅 및 컴퓨팅 칩. Broadcom Tomahawk 6는 102.4Tb/s의 대역폭을 지원하며, NVIDIA Quantum-X는 다양한 컴퓨팅 네트워킹 시나리오를 위해 51.2Tb/s의 InfiniBand 전송을 제공합니다.

● 광자 집적 회로(PIC) : 도파관, 변조기 및 광검출기가 통합된 실리콘 광자 칩. 주요 변조기로는 마흐-젠더 변조기(MZM), 마이크로링 변조기(MRM) 및 전기흡수 변조기(EAM)가 있다. MRM은 저전력 소모 특성으로 인해 상용 제품에 널리 채택되고 있다.

● 전자 집적 회로(EIC) : SerDes, 구동 제어 및 전력 관리 장치가 내장된 CMOS 기반 칩으로, ASIC와 PIC 간의 신호 매칭을 보장합니다.

● 광 엔진 : PIC, EIC 및 광섬유 어레이를 결합한 통합 광전자 모듈로, 단일 엔진 대역폭은 1.6Tb/s에서 6.4Tb/s에 이르며, 광전자 변환의 핵심 캐리어 역할을 합니다.

● 외부 레이저 소스(ELS) : 다중 파장 출력을 지원하는 개별 레이저 모듈입니다. Ayar Labs SuperNova와 같은 대표적인 제품은 16개 파장 채널을 제공합니다. 외부 구조는 열 관리를 최적화하고 독립적인 교체를 지원합니다.

● 광섬유 커넥터 : 에지 커플링과 서페이스 커플링 솔루션으로 나뉩니다. 에지 커플링은 영구적인 접합으로 삽입 손실이 적고, 서페이스 커플링은 분리 가능한 조립이 가능하며 정렬 허용 오차가 더 높습니다. 코닝 글래스브리지(Corning GlassBridge)와 마벨(Marvell) 금속 커플러는 시중에서 널리 사용되는 주요 액세서리입니다.

CPO 패키징 기술 및 신호 전송 메커니즘

주류 포장 기술 및 엔지니어링 절충안

현재 시판되는 CPO 제품은 주로 2.5D 통합 및 3D 적층이라는 두 가지 첨단 포장 솔루션을 채택하고 있습니다. 각 솔루션은 비용 및 성능 측면에서 차별화된 특징을 가지고 있습니다.

● 2.5D 통합 공정 : EIC와 PIC가 실리콘 인터포저 상에 나란히 배치됩니다. 이 성숙한 공정은 제조 비용이 저렴하고 수율이 높지만, 기생 인덕턴스로 인해 전송 성능은 보통 수준입니다. 이 공정은 1세대 Santec CPO 스위치와 같은 중급 상용 스위치에 일반적으로 적용됩니다.

● 3D 하이브리드 스태킹 공정 : EIC를 PIC 위에 수직으로 적층하여 전기 전송 경로를 최소화함으로써 전력 소비를 줄이고 대역폭을 높입니다. 이 공정은 기술적 난이도, 제조 비용 및 열 방출 부담이 높습니다. TSMC의 COUPE 공정은 업계 표준으로, NVIDIA와 Broadcom의 고급 CPO 스위치에 채택되었습니다.

4단계 신호 전송 워크플로

CPO 전송 시스템은 중복 신호 처리 절차 없이 간소화된 링크를 특징으로 합니다. 전체 전송 프로세스는 제어 가능한 전체 지연 시간을 갖는 네 단계로 구성됩니다.

● 전기 신호 전송 : ASIC 칩은 패키지 내부의 밀리미터 크기 구리선을 통해 EIC로 고속 전기 신호를 전송하며, 추가적인 신호 보정 없이 단일 채널 전송 속도는 100~200Gb/s에 이릅니다.

● 광전자 변환 : EIC는 내부 PIC 변조기를 구동하여 전기 신호를 광 신호로 변환합니다. 수신단의 광검출기는 역방향 디코딩을 통해 양방향 전송을 지원합니다.

● 광 신호 전송 : 광 신호는 온칩 도파관에서 광섬유 어레이로 전송된 후, 커플러를 통해 외부 광섬유 링크를 거쳐 장거리로 전송됩니다.

● 지속적인 광 공급 : 외부 레이저는 안정적인 광선을 출력하며, 이 광선은 광 분배기를 통해 각 광 엔진에 할당되어 열 차단 및 자원 중복성을 구현합니다.

CPO의 기술적 이점 및 엔지니어링 과제

주요 기술적 이점

● 저전력 소비로 운영 비용 절감 : 기존의 30W 플러그형 트랜시버를 9W CPO 링크로 대체하면 전력 소비를 약 70% 절감할 수 있습니다. 이를 통해 슈퍼컴퓨팅 클러스터의 전체 네트워크 전력 소비를 3.5배까지 줄일 수 있습니다. 이러한 전력 절감 효과는 구리 전송 경로 단축과 고출력 DSP 칩 제거에서 비롯되며, 대규모 클러스터의 장기적인 전기 및 냉각 비용을 효과적으로 절감합니다.

● 물리적 제약을 뛰어넘는 초고대역폭 : 3D 적층 실리콘 포토닉 기술을 기반으로 단일 광 엔진의 최대 대역폭은 6.4Tb/s에 달하며, 스위치 대역폭 밀도는 51.2Tb/s에서 102.4Tb/s까지 확장됩니다. CPO는 기존 스위치의 전면 패널 포트 제한을 극복하여 광 엔진을 추가함으로써 AI 컴퓨팅 성능의 지속적인 업그레이드에 맞춰 대역폭을 수평적으로 확장할 수 있도록 지원합니다.

● 분산 컴퓨팅을 위한 낮은 지연 시간과 높은 안정성 : 밀리미터 수준의 전기 경로를 통해 중복되는 신호 등화 및 타이밍 조정 프로세스를 제거하여 신호 무결성을 향상시킵니다. 다중 GPU 협업 학습 작업에서 CPO는 지연 시간 변동을 줄이고 기울기 동기화 일관성을 강화하여 대규모 모델 학습 효율성을 최적화합니다.

● 대규모 클러스터 레이아웃을 위한 유연한 네트워킹 : 구리 케이블은 고속 전송 시 1~2미터 이내의 거리에서만 효율적인 전송을 유지하는 반면, CPO 광 링크는 중계기 없이 장거리 랙 간 및 데이터 센터 간 전송을 지원합니다. 이러한 유연한 네트워크 아키텍처는 팻트리(fat-tree) 및 드래곤플라이(dragonfly)와 같은 고성능 토폴로지에 적응하여 수백만 개의 GPU 클러스터 레이아웃 요구 사항을 충족합니다.

기존 엔지니어링 제약 조건 및 절충 사항

● 엄격한 열 방출 요구 사항 : 실리콘 포토닉 소자는 온도 변화에 매우 민감하며, 변조기는 온도 변화에 따라 파장 드리프트가 발생하기 쉽습니다. 광학 엔진과 고발열 ASIC의 긴밀한 통합으로 인해 국부적인 열 축적이 발생하여 기존의 공랭식으로는 충분하지 않습니다. 따라서 액체 냉각 콜드 플레이트가 필요하며, 이는 하드웨어 수정 및 구조적 복잡성을 증가시킵니다.

● 고밀도 광섬유의 복잡한 작동 : 고급 CPO 스위치는 수만 개의 광섬유를 탑재하고 있어 케이블 관리 및 굽힘 반경 제어에 어려움이 있습니다. 영구 접합 광섬유는 손실이 적지만 유지보수가 어렵고, 분리형 커넥터는 유지보수를 간소화하지만 삽입 손실이 증가합니다. 업계에서는 일반적으로 전송 성능과 운영 난이도 사이에서 절충안을 모색합니다.

●  미성숙한 제조 및 공급망 : CPO는 CMOS, 실리콘 포토닉스 및 III-V 레이저 재료의 이종 통합을 요구하므로 제품 수율이 낮습니다. 광섬유와 도파관 간의 마이크론 수준 정렬은 제조 문턱을 높입니다. 전문 실리콘 포토닉스 파운드리의 수가 제한적이어서 대량 생산 비용이 상대적으로 높은 수준을 유지하고 있습니다.

● 통일된 산업 표준 부재 : CPO 기계적 인터페이스, 광섬유 표준 및 열 제어 프로토콜에 대한 보편적인 규격이 없어 공급업체별 솔루션에 상당한 차이가 발생합니다. 초기 도입 기업은 특정 공급업체에 종속될 위험과 장비 호환성 문제에 직면할 수 있습니다. OIF 및 OCI MSA를 비롯한 여러 기관에서 통일된 산업 표준 제정을 추진하고 있습니다.

● 높은 단기 구매 비용 : 복잡한 제조 공정과 낮은 생산 수율로 인해 현재 CPO의 단위 포트 비용은 기존 플러그형 모듈보다 높습니다. 그러나 전력 소비 및 확장 비용을 포함한 전체 수명 주기 관점에서 평가할 때 CPO는 하이퍼스케일 컴퓨팅 클러스터에 더 나은 비용 효율성을 제공합니다.

FiberMart CPO 솔루션

공동 패키지 광학(CPO)은 AI 컴퓨팅 인프라 및 하이퍼스케일 데이터 센터를 위한 혁신적인 상호 연결 기술로 점점 더 주목받고 있습니다. 신뢰할 수 있는 글로벌 공급업체인 FiberMart는 최신 CPO 시스템의 대규모 상용화를 지원하는 고성능 광섬유 어레이 구성 요소를 제공합니다.

FiberMart의 포트폴리오는 표준 광섬유 어레이 유닛(FAU)과 편광 유지 광섬유 어레이(PM 광섬유 어레이)를 모두 포함합니다. 고정밀 FAU는 포토닉 칩과 광섬유 회로 간의 안정적인 광 결합을 보장하여 고속 CPO 전송 시나리오에 최적화된 일관된 광 성능과 장기적인 작동 내구성을 제공합니다. 또한, PM 광섬유 어레이는 주류 외부 레이저 소스 아키텍처에 맞게 설계되어 실리콘 포토닉 소자의 고유한 민감도를 고려하여 편광 상태를 효과적으로 안정화합니다. FiberMart는 다양한 맞춤형 구성을 통해 전 세계 CPO 생태계의 증가하는 수요를 충족하는 최적화된 시장 출시형 광섬유 어레이 솔루션을 제공합니다.

● CPO 시스템용 고정밀 FAU(광섬유 어레이 유닛)

● 편광 유지 광섬유 어레이(PM FA)

●  CPO 장치용 광섬유 셔플 케이블

데이터센터 CPO 기술 요약

CPO는 데이터 센터 상호 연결을 위한 단순한 기술적 개선이 아니라, 핵심적인 아키텍처 최적화를 의미합니다. 기존 광 모듈의 고전력 소비, 대역폭 제한, 신호 왜곡 등의 고유한 단점을 근본적으로 해결하여 수백만 개의 GPU를 사용하는 슈퍼컴퓨팅 클러스터를 지원하는 핵심 하드웨어로 자리매김하고 있습니다. 하지만 열 방출, 유지보수, 제조 및 표준화 제약으로 인해 CPO는 빠른 보급이 어려울 것으로 예상되며, 향후 10년간 플러그형 모듈 및 LPO와 함께 사용될 전망입니다.

2026년 이후 산업 성숙도 향상과 지속적인 비용 절감에 힘입어 CPO(커패시터 광학 소자)는 고성능 컴퓨팅 환경에서 상용 데이터 센터로 점차 확산될 것입니다. 장기적으로는 광학 엔진을 AI 가속기에 직접 내장하는 것이 산업 주류가 되어 전자공학과 광자공학의 경계를 허물고 범용 인공지능 및 대규모 컴퓨팅 네트워크를 위한 하드웨어 기반을 마련할 것입니다.

자주 묻는 질문(FAQ)

Q1: CPO와 플러그형 광 모듈의 핵심적인 차이점은 무엇입니까?

CPO는 광학 엔진을 ASIC과 통합하여 전기 경로를 밀리미터 수준으로 단축하고 DSP 칩을 제거함으로써 5~10 pJ/bit의 전력 소비를 달성했습니다. 플러그형 모듈은 15~30cm의 전기 경로를 가지며 DSP를 사용하여 신호 보상을 수행하고 15~20 pJ/bit의 전력 소비를 달성하는 동시에 핫 스와핑 및 유지보수 측면에서 이점을 제공합니다.

Q2: 주류 CPO 제품들이 외부 레이저 광원을 채택하는 이유는 무엇입니까?

레이저는 높은 열을 발생시키고 고장률도 비교적 높습니다. 외부 배치 방식을 통해 열 차단 및 최적화된 열 관리가 가능합니다. 또한, 레이저의 독립적인 핫 스와핑 기능을 통해 장비 가동 중단 없이 유지보수가 가능하여 시스템 운영 신뢰성을 향상시킵니다.

Q3: CPO는 유지보수 난이도와 고장률이 높은가요?

업계는 기술적 개선을 통해 유지보수성을 최적화해 왔습니다. NVIDIA와 같은 공급업체는 고장 발생 시 전체 교체를 피하기 위해 분리형 광자 부품을 채택하고 있습니다. 또한, 단일 장애 지점 위험을 줄이고 대규모 배포의 신뢰성을 높이기 위해 5~10%의 포트 이중화 메커니즘을 적용하고 있습니다.

Q4: LPO가 CPO를 대체하여 주류 솔루션이 될 수 있을까요?

LPO는 중저속 상용 환경에서 비용 및 유지 관리 측면에서 이점이 있습니다. 그러나 200G/400G와 같은 초고속 단일 채널 전송률에서는 신호 보상 능력이 부족하여 CPO의 극단적인 성능을 따라잡을 수 없으므로 장기적인 과도기적 기술로만 사용될 수 있습니다.

2026년 5월 18일, Francisco ( Fibermart) 작성  . 모든 저작권은 보호됩니다.