LPO, NPO, CPO란 무엇일까요? 광 인터커넥트 기술에 대한 지식

LPO, NPO, CPO의 부상

LPO란 무엇인가요? 선형 구동 플러그형 광학 장치입니다.

LPO(Linear-drive Pluggable Optics)는 2022년 Macom과 NVIDIA가 제안한 혁신적인 광 모듈 패키징 기술입니다. 핵심 아이디어는 광 모듈에서 기존의 디지털 신호 처리(DSP) 및 클록 데이터 복구(CDR) 칩을 제거하고 순수 아날로그 방식의 "선형 직접 구동(linear direct-drive)" 광 링크를 구축하는 것입니다. 이 설계는 DSP 칩으로 인한 높은 전력 소비와 지연 시간을 직접적으로 해결하여 단거리 고성능 환경에 이상적입니다.

LPO의 작동 원리

신호 등화, 타이밍 조정 및 보상을 위해 DSP와 CDR에 의존하는 기존의 고속 인터커넥트 솔루션과 달리, LPO는 신호 처리 경로를 단순화합니다.

● 송신기: 고선형성 구동 칩이 광 변조기를 직접 구동하여 디지털 처리 없이 전기 신호를 광 신호로 변환합니다.

● 수신기: 고선형 트랜스임피던스 증폭기(TIA)가 광전 변환 및 신호 증폭을 완료하여 아날로그 신호 경로를 유지합니다.

● 신호 보상: 원래 모듈의 DSP에서 처리하던 신호 등화 및 보상 작업이 호스트 측 xPU의 SerDes(직렬화/역직렬화)로 이전됨에 따라 xPU의 아날로그 신호 처리 기능에 대한 요구 사항이 높아집니다.

LPO의 주요 이점

● 낮은 전력 소비: DSP 칩을 제거함으로써 모듈의 전력 소비가 기존 DSP 솔루션 대비 30%~50%, 심지어 50% 이상 절감됩니다. 이는 에너지 비용 절감 및 PUE 최적화를 목표로 하는 데이터 센터에 매우 중요한 이점입니다.

● 저비용: DSP 칩은 기존 광 모듈의 BOM 비용에서 20%~40%를 차지합니다. DSP를 제거하면 드라이버와 TIA에 EQ 기능을 통합하는 데 따른 약간의 비용 증가를 감안하더라도 전체 비용이 크게 절감됩니다.

● 낮은 지연 시간: LPO는 DSP 처리 링크를 제거하여 신호 전송 경로를 단축하고 지연 시간을 줄입니다. 이는 HPC GPU 간 통신 및 기타 저지연 시나리오에 필수적인 요구 사항입니다.

● 손쉬운 유지보수: LPO는 기존의 모듈식 광학 부품 설계를 유지하여 핫스왑을 지원합니다. 고장난 모듈은 시스템 작동을 중단하지 않고 교체할 수 있어 가동 중지 시간을 최소화합니다.

LPO가 직면한 과제

● 제한된 전송 거리: DSP의 등화 및 오류 수정 기능이 없기 때문에 LPO는 비트 오류율이 높고 전송 거리가 짧아 일반적으로 수 미터에서 수십 미터에 불과합니다(향후 500m까지 확장될 것으로 예상됨).

● 미성숙한 표준화: LPO 표준화는 아직 초기 단계에 있으며, 공급업체 간 호환성이 떨어집니다. 현재로서는 단일 공급업체 폐쇄형 시스템에 더 적합합니다.

● 전기 채널 설계 압력: LPO는 호스트 측 SerDes의 선형성과 아날로그 성능에 크게 의존합니다. SerDes 속도가 112G에서 224G로 전환됨에 따라 링크 안정성을 유지하는 것이 주요 기술적 과제가 됩니다.

NPO란 무엇인가요? 근접 패키지 광학(Near-Packaged Optics)

NPO(Near-Packaged Optics)는 기존의 플러그형 광 모듈과 CPO(Compact Package Optics) 사이에 위치하는 고집적 광 인터커넥트 솔루션입니다. CPO로의 "전환 발판" 역할을 하는 NPO의 핵심 개념은 광 엔진과 xPU 칩(GPU, NPU, 스위칭 칩)을 동일한 고성능 PCB 또는 유기 기판에 나란히 배치하고, 매우 짧은 고속 전기 경로(일반적으로 몇 센티미터 이내)를 통해 연결하여 채널 손실을 13dB 미만으로 제어하는 ​​것입니다.

비영리단체의 특징

NPO는 통합성과 유지보수성 사이에서 균형을 이룹니다. 광 엔진과 xPU를 동일 패키지에 통합하는 CPO와 달리, NPO는 이들을 독립적으로 패키징하여 CPO의 복잡한 패키징 문제를 피하는 동시에 기존 플러그형 모듈의 성능 병목 현상을 극복합니다. OFC 2026에서 구글을 비롯한 주요 클라우드 업체들은 NPO 도입 계획을 발표하며 2026년부터 2027년까지 캐비닛 내 및 캐비닛 간 상호 연결을 위한 최적의 솔루션으로 자리매김할 것임을 확인했습니다.

비영리단체의 주요 장점

● 고대역폭 및 저손실: 짧은 신호 경로로 인해 감쇠 및 누화가 크게 줄어들어 복잡한 DSP 보상 없이도 고대역폭 전송( 800G 이상)이 가능하며 높은 신호 무결성을 보장합니다.

● 탁월한 열 관리: 광학 엔진과 xPU를 독립적으로 패키징하여 광학 부품이 GPU 코어의 고온 환경에 노출되는 것을 방지함으로써 파장 편차 및 성능 변동을 막고 유연한 열 설계를 가능하게 합니다.

● 손쉬운 유지보수 및 높은 교체 용이성: 독립형 패키지 광학 엔진은 고장 시 전체 xPU 칩을 교체할 필요 없이 개별적으로 교체할 수 있어 유지보수 비용과 복잡성을 줄입니다.

● 성숙하고 위험도가 낮음: CPO와 비교했을 때, NPO는 3D 패키징 및 기타 첨단 기술의 혁신이 필요하지 않아 기술적 위험이 낮고 대량 생산이 빠릅니다. 화공테크놀로지(Huagong Technology)와 같은 국내 업체들은 3.2T NPO 광학 엔진을 출시했으며, 이는 구글과 마이크로소프트의 테스트를 통과하고 주요 고객사에 이미 도입되었습니다.

비영리단체가 직면한 과제

● 제한된 통합: CPO와 비교했을 때, NPO는 여전히 전기적 상호 연결을 위한 기판 배선이 필요하므로 통합 밀도가 낮고 가능한 최단 전송 경로를 구현할 수 없습니다.

● 고속에서의 성능 병목 현상: 1.6T/3.2T 고속 시나리오에서는 전기 연결 손실과 전력 소비가 증가하므로 재료, 배선 및 인터페이스 표준 개선이 필요합니다.

●  지연 시간 동기화: 기존 모듈보다 지연 시간이 짧지만, 초거대 규모 상호 연결에서는 시스템 수준의 동기화를 보장하기 위해 NPO 모듈 간의 지연 시간과 균일성 간의 균형을 맞추는 것이 필요합니다.

CPO란 무엇인가요? 코패키지드 옵틱스(Co-Packaged Optics)입니다.

CPO(Co-Packaged Optics)는 NPO에서 발전된 고집적 전기-광학 상호 연결 기술입니다. CPO의 핵심은 광 엔진을 스위칭 칩( ASIC ) 또는 컴퓨팅 칩(xPU)과 동일한 패키지에 직접 통합하여 기존의 플러그형 광 모듈처럼 마더보드에 전면 패널 인터페이스를 통해 연결해야 하는 문제를 해결하는 것입니다. 이를 통해 전기 신호 전송 경로가 수 센티미터에서 수 밀리미터로 단축되어 신호 무결성, 전력 소비 및 지연 시간을 근본적으로 최적화할 수 있습니다.

특히, 실리콘 포토닉스 기술의 성숙도는 CPO 개발의 핵심 기반입니다. 이는 CPO에 고도로 통합되고 저전력, 저비용의 광학 엔진 솔루션을 제공하여 CPO 기술의 빠른 발전을 촉진합니다.

CPO의 구조 및 운영 원칙

일반적인 CPO 시스템은 전기 칩, 광 엔진 모듈, 실리콘 인터포저 및 광섬유 인터페이스로 구성되며 다음과 같은 작동 과정을 거칩니다.

● 전송: 전기 칩 내부의 SerDes는 고속 전기 신호를 출력하고, 이 신호는 인터포저의 마이크로 범프 인터커넥트를 통해 광 엔진으로 전송됩니다. 드라이버 칩은 광 변조기를 구동하여 전기-광 변환을 완료하고, 생성된 광 신호는 광섬유를 통해 전송됩니다.

● 수신: 광 신호는 광 검출기에 의해 전기 신호로 변환되고, TIA에 의해 증폭된 후, 마이크로 범프 인터커넥트를 통해 디코딩을 위해 전기 칩으로 다시 전송됩니다.

패키징 깊이를 기준으로 CPO는 A형(2.5D 패키징, 전기 연결 길이 ≤10cm), B형(웨이퍼 레벨 2.5D 패키징, 고밀도), C형(3D 수직 적층, 밀리미터 레벨 상호 연결, 최고 수준의 집적 형태)의 세 가지 유형으로 나뉩니다.

CPO의 주요 이점

● 초고대역폭 및 저전력 소비: 밀리미터급 신호 경로는 포트당 1.6T~3.2T 이상의 고속 인터커넥트를 지원합니다. 브로드컴에 따르면 CPO는 전력 소비를 50% 이상 절감할 수 있으며, 비트당 전력 소비는 기존 모듈의 15~20pJ/bit에서 5~10pJ/bit로 감소합니다.

● 고밀도 상호 연결: 광 엔진을 패키지에 통합함으로써 전면 패널 공간을 확보하여 스위치 및 GPU 시스템의 I/O 밀도를 크게 향상시킬 수 있으며, 이는 고밀도 데이터 센터에 매우 중요합니다.

● 초저지연 및 고신뢰성: 중간 전기 연결 및 DSP 보정을 제거하여 지연 시간을 줄이는 동시에 전자기 간섭(EMI)에 대한 민감도를 낮춰 안정적인 신호 전송을 보장합니다.

● 최적화된 시스템 에너지 효율: 고도로 통합된 설계로 변환 손실을 줄여 데이터 센터의 전체 PUE를 낮추므로 AI 학습 클러스터 및 초대형 규모 스위칭 장비에 이상적입니다.

CPO가 직면한 과제

● 높은 패키징 복잡성: 광전자 공동 패키징은 열 관리, 기계적 안정성 및 패키징 수율에 대한 요구 사항이 매우 높아 기존 광학 모듈보다 제조 비용이 높습니다.

● 유지보수성 부족: 광학 엔진과 전기 칩의 긴밀한 통합으로 인해 단일 광학 부품에 문제가 발생하면 전체 패키지를 교체해야 하므로 유지보수의 복잡성과 비용이 증가합니다.

● 미성숙한 생태계: CPO는 새로운 광전자 패키징 표준, 테스트 시스템 및 자동화된 제조 공정을 필요로 하며, 현재 산업화 초기 단계에 있습니다. 기존의 플러그형 모듈이 여전히 대부분의 산업 요구를 충족하고 있기 때문에 1.6T 시대에는 CPO의 시장 도입이 시급하지 않습니다.

LPO, NPO, CPO: 올바른 기술을 선택하는 방법은 무엇일까요?

LPO, NPO 및 CPO는 상호 배타적이지 않으며, 서로를 보완하고 서로 다른 응용 시나리오를 목표로 하여 차세대 광 인터커넥트를 위한 완전한 기술 시스템을 구성합니다.

●  LPO: "비용 효율성과 낮은 지연 시간"에 중점을 두어 HPC GPU 간 통신과 같은 단거리(캐비닛 내) 상호 연결 시나리오에 적합합니다. 단기적으로 전력 소비와 비용을 절감해야 하는 데이터 센터에 실용적인 솔루션이며, 2024년 말까지 양산될 가능성이 높아 시장 전망이 밝습니다.

● NPO: 기존 모듈과 CPO 간의 "전환 브리지" 역할을 하며 성능과 유지 관리 용이성의 균형을 유지합니다. 2026~2027년 캐비닛 내/캐비닛 간 상호 연결에 적합하며, 위험 부담이 적고 구축이 성숙되어 있어 주요 클라우드 공급업체에서 선호합니다.

● CPO: 미래의 초대형 AI 데이터 센터 및 3.2T 이상의 고속 상호 연결 시나리오에 적합한 "최고 성능" 방향을 나타냅니다. 패키징 및 생태계 측면에서 어려움이 있지만, 장기적으로 주류 솔루션이 될 것으로 예상되며, 전 세계 시장 규모는 2027년까지 54억 달러에 이를 것으로 전망됩니다.

결론

데이터 센터들이 고대역폭, 저전력 소비, 저지연을 추구함에 따라 LPO, NPO, CPO는 광 인터커넥트 기술 발전의 핵심 동력으로 자리 잡았습니다. LPO는 단거리 환경에 적합한 실용적인 저전력, 저비용 솔루션을 제공하고, NPO는 성능과 유지보수성의 균형을 이루어 고집적화로의 전환을 가속화하며, CPO는 인터커넥트 성능을 극한까지 끌어올려 미래의 초대형 컴퓨팅 플랫폼을 위한 기반을 마련합니다. 데이터 센터 운영자, 네트워크 엔지니어, 그리고 업계 종사자들이 정보에 입각한 기술적 선택을 하기 위해서는 이 세 가지 기술의 특성, 장점, 그리고 과제를 이해하는 것이 매우 중요합니다.

이러한 기술 발전 속에서 국내외 주요 벤더들은 LPO 광 트랜시버 모듈부터 NPO 광 엔진, CPO 코패키징 솔루션에 이르기까지 관련 제품들을 적극적으로 출시하며 상용화 속도를 높이고 있습니다. 기술이 성숙해지고 생태계가 개선됨에 따라 LPO, NPO, CPO는 데이터센터 상호 연결 환경을 함께 재편하여 AI 및 HPC 산업의 빠른 발전을 견인할 것입니다.

자주 묻는 질문

Q1: CPO와 LPO의 차이점은 무엇인가요?

CPO는 대역폭 밀도와 전력 효율을 극대화하기 위해 광 엔진을 스위치 ASIC에 직접 통합하는 반면, LPO는 표준 폼 팩터를 유지하면서 비용과 전력을 줄이기 위해 플러그형 모듈에서 DSP를 제거합니다.

Q2: LPO는 기존 QSFP-DD 및 OSFP 스위치와 호환됩니까?

예. LPO 모듈은 QSFP-DD 및 OSFP 폼 팩터를 유지하므로 아키텍처 변경 없이 기존 AI 데이터 센터 스위치에 배포할 수 있습니다.

Q3: 실리콘 포토닉스는 CPO 또는 LPO를 대체할 수 있습니까?

아니요. 실리콘 포토닉스는 CPO와 LPO는 물론 기존의 플러그형 광 모듈까지 모두 지원하는 핵심 집적 기술입니다.

질문 4: AI 학습 클러스터에 가장 적합한 광학 기술은 무엇입니까?

대규모 AI 학습 클러스터는 일반적으로 우수한 대역폭 밀도와 에너지 효율성 때문에 CPO를 선호하는 반면, LPO는 단거리 및 비용에 민감한 배포에 더 적합합니다.

Q5: 향후 CPO가 플러그형 광학 부품을 대체할까요?

CPO는 플러그형 광학 장치를 대체하기보다는 보완하는 역할을 할 것으로 예상됩니다. 다양한 AI 네트워킹 시나리오에서는 앞으로도 각기 다른 광학 아키텍처가 요구될 것입니다.

Q6: NPO는 CPO 및 LPO와 비교했을 때 어떤 위치에 있습니까?

NPO는 기존 플러그형 모듈과 CPO 사이의 전환 역할을 합니다. LPO보다 통합성이 뛰어나고 지연 시간이 짧으며, CPO보다 유지 관리가 용이하고 비용 효율성이 높아 중장기적인 캐비닛 내 및 캐비닛 간 상호 연결에 이상적입니다.

Q7: NPO는 유지보수 및 열 관리 측면에서 어떤 이점을 제공합니까?

NPO는 광학 엔진과 xPU를 독립적인 패키징 방식으로 설계했습니다. 고장난 광학 엔진은 전체 xPU를 교체하지 않고 개별적으로 교체할 수 있어 유지보수 비용을 절감할 수 있습니다. 또한 독립적인 열 관리 시스템을 통해 GPU 발열로 인한 파장 변화를 방지하여 안정적인 성능을 보장합니다.