[전자/반도체] Optical I/O란 무엇인가? 칩 사이 데이터를 빛으로 보내는 이유

데이터가 이동하는 길을 살펴보는 리멤버미입니다. AI 연산기가 많아져도 필요한 데이터가 제때 도착하지 않으면 연산기는 기다립니다. 이때 문제는 계산 능력뿐 아니라 칩 밖으로 데이터를 내보내는 I/O(Input/Output)입니다.

Optical I/O는 전기 신호를 빛에 실어 전달하고, 수신 지점에서 다시 전기 신호로 바꾸는 입출력 기술입니다. 칩 내부의 모든 연산을 빛으로 바꾸는 것이 아니라, 데이터 이동 경로에 광학을 활용하는 접근입니다.

1. 전기 배선은 왜 부담이 될까?

금속 배선을 통해 빠른 신호를 멀리 보내면 손실과 반사, 인접 신호의 간섭을 관리해야 합니다. 더 높은 속도에서는 수신 신호를 복원하는 Equalization 등의 회로 부담도 커질 수 있습니다.

전송량을 늘리기 위해 전기 연결 개수를 계속 늘리려 해도 패키지 가장자리와 핀 수, 전력에 한계가 있습니다. 특히 여러 가속기와 메모리를 연결하는 시스템에서는 이동 거리와 통신량을 동시에 고려해야 합니다.

광 연결은 이런 조건에서 높은 대역폭을 더 긴 거리로 전달할 후보입니다. 다만 모든 거리에서 전기 연결보다 유리하다는 뜻은 아닙니다. Intel의 Optical Compute Interconnect 기술 소개

2. 전자가 빛으로 바뀌는 과정

일반적인 광 링크를 기능 블록으로 나누면 다음과 같습니다.

전기 데이터 → Driver → Modulator → 광 경로 → Photodetector → 수신 회로

Laser는 광원을 제공합니다. 변조기(Modulator)는 전기 데이터에 따라 빛의 세기나 위상 등을 바꿔 정보를 실어 줍니다. 이 빛이 광섬유나 Waveguide를 통해 이동합니다.

수신 측 광검출기(Photodetector)는 빛을 전기 신호로 변환하고, 수신 회로가 이를 데이터로 복원합니다. 광원이 패키지 내부에 있는지 외부에 있는지는 구현 방식에 따라 달라집니다.

즉, 데이터를 빛으로 보낸다고 전자회로가 없어지는 것은 아닙니다. Driver와 수신 증폭기, 제어회로를 포함한 전기·광 통합 설계가 필요합니다. Intel의 Integrated Photonics 구성 요소 설명

 

3. 하나의 광 경로에 여러 파장을 넣는다

WDM(Wavelength-Division Multiplexing)은 서로 다른 파장의 빛에 데이터를 나누어 실어 같은 경로로 보내는 방식입니다. 수신 측에서 파장별로 분리하면 여러 데이터 채널을 병렬로 활용할 수 있습니다.

예를 들어 개념적으로 채널당 전송률이 같다면 다음 관계를 생각할 수 있습니다.

총 전송률 ≈ 파장 채널 수 × 채널당 전송률

실제 유효 데이터율에는 부호화와 오류 정정 등의 오버헤드가 반영됩니다. 파장 수를 늘릴수록 필터와 변조기의 특성, 채널 간 간섭과 광원 전력도 관리해야 합니다.

따라서 빛의 통로 하나에 파장을 무제한 추가할 수 있는 것은 아닙니다.

4. Optical I/O와 CPO는 같은 말일까?

Optical I/O는 광을 이용해 데이터를 입출력한다는 기능에 초점을 둔 표현입니다. CPO(Co-Packaged Optics)는 광학부와 전자 칩을 같은 패키지에 통합하는 집적 방식에 초점을 둡니다.

둘은 관련이 깊지만 완전히 같은 개념은 아닙니다. 광학부를 연산 칩 가까이 가져가면 그 사이의 고속 전기 연결을 짧게 만들 수 있습니다. 대신 광섬유를 패키지에 연결하는 공정, 열, 시험·수리 방법이 어려워질 수 있습니다.

Silicon Photonics도 광학 기능을 실리콘 기반 공정으로 집적하는 플랫폼을 뜻합니다. 이름에 Silicon이 있다고 모든 광원까지 실리콘 하나로 만들었다고 해석하면 안 됩니다.

5. 에너지 절감은 링크 전체에서 봐야 한다

비교에 자주 쓰이는 값은 비트당 에너지입니다.

Ebit = 링크 전체 소비전력 / 실제 전송 비트율

전송 경로의 손실이 작아도 Laser, Driver, 수신 회로와 온도 보정에 전력이 필요합니다. 트래픽이 적을 때의 유휴 전력도 영향을 줍니다. 광학부만의 수치를 전기 링크 전체와 비교하면 조건이 달라집니다.

연구에서도 변조기·검출기·WDM뿐 아니라 광원 집적, 광 결합, 전기·광 패키징과 신뢰성을 함께 다룹니다. imec의 Optical Interconnect 연구 구성

Optical I/O의 가치는 ‘빛이 빠르다’는 한 문장보다 거리·대역폭·전력의 조합을 어떻게 개선하는가에 있습니다. 가까운 곳의 짧은 전기 연결과 넓은 시스템의 광 연결을 적절히 조합하는 것이 AI 시스템 설계의 중요한 과제가 됩니다.