실리콘 포토닉스 혁명 – AI, 데이터 센터 등 다양한 분야를 변화시키는 빛의 속도 기술

실리콘 포토닉스는 실리콘 포토닉 집적 회로(PIC)를 사용하여 데이터를 처리하고 통신하기 위해 빛을 조작하며, 100 Gb/s 및 400 Gb/s와 같은 속도로 온칩 및 칩 간 상호 연결을 가능하게 합니다.
손톱 크기의 실리콘 포토닉 칩은 수십 개의 레이저 채널을 탑재할 수 있으며, 고밀도 파장 분할 다중화(DWDM)를 통해 테라비트급 데이터를 전송할 수 있습니다.
데이터 센터 상호 연결은 전력을 덜 소모하고 더 높은 밀도를 제공하는 광 링크의 이점을 누리며, 통합 광 I/O가 적용된 51.2 Tb/s 스위칭 칩과 같은 프로토타입이 시연되었습니다.
2024년 Ayar Labs는 16개의 파장을 사용해 8 Tbps 대역폭을 제공하는 광 칩렛을 시연했으며, 2024년 말 시리즈 D에서 Nvidia, AMD, Intel이 참여해 1억 5,500만 달러를 조달하며 기업 가치를 10억 달러 이상으로 끌어올렸습니다.
Intel은 2016년 이후 800만 개 이상의 포토닉 트랜시버 칩을 출하한 후, 2023년 말 실리콘 포토닉스 트랜시버 제조를 Jabil에 아웃소싱했습니다.
InnoLight는 2023년 말 1.6 Tbps 광 트랜시버 프로토타입을 시연했으며, 멀티 테라비트 링크가 다가오면서 2026년까지 3.2 Tbps 모듈이 기대됩니다.
미국 AIM Photonics 연구소는 2028년까지 7년간 3억 2,100만 달러의 프로그램을 받아 미국 내 집적 포토닉스 제조를 발전시키고, 뉴욕에 실리콘 포토닉스 파운드리 및 패키징 라인을 구축할 예정입니다.
2023년 Broadcom은 통합 레이저 포토닉 엔진이 적용된 25.6 Tbps 및 51.2 Tbps 동봉형 광학 스위치 프로토타입을 시연했습니다.
Lightmatter는 2024년 시리즈 D에서 4억 달러를 조달해 광 AI 가속기 플랫폼을 개발하고 있으며, PsiQuantum은 2024년 Omega 칩을 통해 손실 허용 포토닉 양자 컴퓨터로 가는 경로를 공개적으로 제시했습니다.
분석가들은 실리콘 포토닉스 시장이 2035년까지 약 540억 달러에 이를 것으로 전망하며, 이 중 약 110억 달러는 비데이터 응용 분야에서 발생할 것으로 보입니다. 이는 주로 AI 데이터 센터 수요에 의해 주도됩니다.

실리콘 포토닉스란 무엇이며 어떻게 작동하나요?

실리콘 포토닉스는 실리콘 기반의 포토닉 집적 회로(PIC)를 사용하여 빛(광자)을 처리 및 통신에 활용하는 기술입니다. 쉽게 말해, 전자 회로를 만드는 것처럼 실리콘 칩 위에 광학 소자(레이저, 변조기, 검출기 등)를 구축하는 것을 의미합니다. 이러한 실리콘 포토닉 칩은 빛을 이용해 데이터를 송수신할 수 있어 초고속 데이터 전송과 높은 대역폭, 낮은 에너지 손실을 실현합니다 ansys.com. 주요 구성 요소로는 웨이브가이드(칩 위에서 빛을 안내하는 미세한 광 “선”), 변조기(데이터를 빛에 실어주는 소자), 레이저(실리콘 자체는 빛을 방출할 수 없어 보통 다른 소재로 추가), 포토디텍터(들어오는 빛을 다시 전기 신호로 변환) 등이 있습니다 ansys.com. 이러한 소자들을 실리콘 플랫폼에 집적함으로써, 엔지니어들은 잘 확립된 반도체 제조(CMOS) 기술을 활용해 포토닉 소자를 대량 생산할 수 있으며, 빛의 속도와 현대 칩 제조의 대규모 생산성을 결합할 수 있습니다 ansys.com.

어떻게 작동할까요? 구리선의 전기 신호 대신, 실리콘 포토닉 회로는 마이크론 크기의 웨이브가이드(광도파로)를 따라 흐르는 적외선 레이저 빛을 사용합니다. 실리콘은 적외선 파장에 투명하기 때문에, 굴절률이 더 낮은 실리콘 산화물 같은 주변 물질로 빛을 가두면 최소한의 손실로 빛이 전파될 수 있습니다 ansys.com ansys.com. 데이터는 변조기를 통해 이 빛의 강도나 위상을 빠르게 변화시켜 빛의 파동에 실립니다. 반대편에서는 칩 위의 광 검출기가 광 신호를 다시 전기 신호로 변환합니다. 빛은 전기 신호보다 훨씬 더 높은 주파수로 진동하기 때문에, 광 인터커넥트는 초당 훨씬 더 많은 데이터를 전송할 수 있습니다. 하나의 작은 광섬유나 웨이브가이드는 초당 수십 또는 수백 기가비트의 데이터를 전송할 수 있고, 여러 파장의 빛(고밀도 파장 분할 다중화)을 사용하면 하나의 광섬유로 테라비트의 데이터를 전송할 수 있습니다. 실질적으로, 실리콘 포토닉스는 온칩 또는 칩 간 통신에서 100 Gb/s, 400 Gb/s 또는 그 이상의 속도를 가능하게 하며, 이는 기존 구리선으로는 많은 채널이 필요하거나 장거리에서는 아예 불가능한 속도입니다 ansys.com optics.org.

실리콘 포토닉 소자는 작고, 빠르며, 에너지 효율적입니다. 빛은 웨이브가이드 내에서 매우 낮은 저항(고속 구리선에서 발생하는 전기 용량이나 발열 문제 없음)으로 이동할 수 있어 데이터 이동에 필요한 전력 소모가 잠재적으로 더 낮아집니다. 한 분석에 따르면, 광 인터커넥트는 데이터 병목 현상을 극적으로 완화하고 고성능 시스템에서 열을 줄일 수 있습니다 – “실리콘 포토닉스가 가능하게 하는 광 인터커넥트만이 폭발적으로 증가하는 대역폭 수요를 감당할 수 있는 유일한 확장 가능한 길”이라고 합니다 laserfocusworld.com. 요약하면, 실리콘 포토닉스는 저비용, 대량 생산이 가능한 실리콘 칩 플랫폼과 빛의 물리학을 결합하여 칩 위에 “광자를 위한 회로”를 만듭니다 ansys.com. 이 기술은 기존 전자공학이 한계에 부딪힌 상황에서 말 그대로 빛의 속도로 데이터를 이동할 수 있게 해줍니다.

실리콘 포토닉스의 주요 응용 분야

실리콘 포토닉스는 광섬유 통신에서 시작되었지만, 오늘날에는 다재다능한 플랫폼으로 다양한 첨단 분야에서 활용되고 있습니다. 빠른 속도와 에너지 효율성 덕분에, 대량의 데이터를 빠르게 이동시키거나 빛을 정밀하게 제어해야 하는 모든 분야가 후보가 됩니다. 주요 응용 분야는 다음과 같습니다:

데이터 센터와 고속 클라우드 네트워크

가장 중요한 응용 분야 중 하나는 데이터 센터와 슈퍼컴퓨터 내부로, 실리콘 포토닉스가 더 빠르고 효율적인 상호 연결에 대한 시급한 요구를 해결합니다. 현대의 클라우드 및 하이퍼스케일 데이터 센터는 서버, 랙, 캠퍼스 네트워크 전반에 걸쳐 막대한 데이터 흐름을 처리합니다. 구리 케이블과 기존 전기 스위치는 점점 더 병목 현상이 되고 있습니다. 이들은 전력을 너무 많이 소모하고, 특정 거리나 속도(예: 100Gb/s 구리 연결은 몇 미터까지만 동작)에 한계가 있습니다. 실리콘 포토닉스 상호 연결은 광섬유와 온보드 광 엔진을 사용하여 서버와 스위치를 매우 높은 속도로 최소 손실로 연결함으로써 이 문제를 해결합니다. 실리콘 포토닉스 기반 광 트랜시버는 이미 랙 간 또는 랙 내 통신에서 전기 연결을 대체하거나 보완하고 있습니다tanaka-preciousmetals.com.

Cisco와 Intel은 이 분야의 선구자입니다. Cisco는 현재 네트워킹 장비를 연결하기 위해 실리콘 포토닉스를 사용하여 고속 플러그형 광 트랜시버를 설계하고 있습니다expertmarketresearch.com. Intel 또한 실리콘 포토닉스를 활용하여 데이터 센터 연결성을 강화했으며, 수백만 개의 100G 광 트랜시버 칩을 출하했고, 현재는 200G, 400G를 양산하고 800G 광 모듈을 샘플링하고 있습니다tanaka-preciousmetals.com. 그 동기는 분명합니다. 데이터 속도가 100G에서 200G, 400G로 두 배씩 증가함에 따라 구리선의 도달 거리는 극적으로 줄어듭니다. “오늘날 데이터센터에 들어가 보면, 서버와 랙 상단 스위치를 연결하는 100Gb/s 구리 케이블을 볼 수 있습니다… 이 케이블은 약 4미터 정도까지는 괜찮습니다. 하지만 랙을 넘어서는 모든 연결은 이미 광학을 사용하고 있습니다,”라고 Intel의 포토닉스 수석 이사인 Robert Blum은 말하며, “데이터 속도를 200 또는 400Gb/s로 높이면 구리선의 도달 거리가 훨씬 짧아지고, 광학이 서버까지 확장되는 추세가 나타납니다.” tanaka-preciousmetals.com 고성능 컴퓨팅(HPC) 클러스터와 AI 슈퍼컴퓨터에서는 수천 개의 프로세서가 저지연 링크를 필요로 하므로, 광학 인터커넥트가 모든 칩에 데이터를 공급할 수 있는 대역폭을 제공합니다ansys.com, laserfocusworld.com. 포토닉스를 스위치에 통합하고 심지어 프로세서 패키지 내부까지 도입함으로써(이른바 코패키지드 옵틱스), 미래 데이터 센터 네트워크는 훨씬 더 높은 처리량을 달성할 것입니다. 실제로, 통합 광 I/O를 갖춘 51.2Tb/s 스위칭 칩이 곧 등장할 예정이며, 프로토타입은 이미 시연되었습니다tanaka-preciousmetals.com.

데이터 센터에 대한 이점은 상당합니다: 더 낮은 전력 소비(광 링크는 수십 GHz에서 구리를 통해 전자를 밀어넣는 것보다 훨씬 적은 에너지를 열로 낭비합니다), 더 높은 밀도(여러 광 채널을 전자기 간섭 걱정 없이 다중화할 수 있습니다), 그리고 더 긴 도달 거리(광 신호는 필요하다면 수 킬로미터까지 이동할 수 있습니다). 이는 실리콘 포토닉스가 데이터 센터가 상호 연결 한계에 의해 성능이 제한되지 않고 확장할 수 있도록 돕는다는 것을 의미합니다. 한 시장 분석가는 AI 중심 데이터 센터가 고성능 광 트랜시버에 대한 전례 없는 수요를 이끌고 있다고 언급하며, “실리콘 포토닉스와 PIC가 1.6 Tbps 이상의 속도로 데이터를 전송할 수 있는 능력으로 이 혁명의 최전선에 있다”고 주장했습니다. optics.org 실질적으로, 손톱 크기의 단일 포토닉 칩에 수십 개의 레이저 채널이 포함될 수 있으며, 이들이 함께 테라비트급 데이터를 전송할 수 있습니다 – 차세대 클라우드 인프라에 필수적입니다.

AI 및 머신러닝 가속화

AI 및 머신러닝 워크로드의 폭발적인 증가는 데이터 센터 애플리케이션의 특별한 사례입니다 – AI가 고유한 요구 사항을 유발하고 실리콘 포토닉스의 새로운 활용을 촉진했기 때문에 별도의 언급이 필요합니다. 고급 AI 모델(챗봇을 구동하는 대형 언어 모델 등)을 훈련시키는 것은 대규모 병렬 연산을 여러 GPU 또는 특수 AI 가속기에 걸쳐 분산시켜 수행합니다. 이러한 칩들은 모델 훈련과 같은 작업을 위해 엄청난 양의 데이터를 교환해야 하며, 종종 기존 전기적 링크를 포화시킵니다. 실리콘 포토닉스는 AI에 두 가지 이점을 제공합니다: 고대역폭 상호 연결 및 심지어 광 연산의 잠재력까지도 제공합니다.

인터커넥트 측면에서는, 광 링크가 개발되어 AI 가속기 칩이나 메모리를 빛(때로는 광 I/O라고도 함)을 사용해 직접 연결하고 있습니다. 기존의 서버 백플레인이나 GPU 간 통신을 광섬유로 대체함으로써, AI 시스템은 통신 지연과 전력을 크게 줄일 수 있습니다. 예를 들어, Ayar Labs와 같은 스타트업은 프로세서 옆에 위치하여 데이터를 빛으로 송수신하는 광 I/O 칩렛을 개발하고 있어, 그렇지 않으면 필요했을 빽빽한 구리 배선을 없애고 있습니다. 2024년, Ayar Labs는 16개의 파장 빛을 사용해 8 Tbps 대역폭을 제공하는 광 칩렛을 시연했는데, 이는 차세대 AI 인터커넥트의 모습을 보여주는 신호입니다 businesswire.com. 주요 칩 제조사들도 주목하고 있습니다. Nvidia, AMD, Intel은 각각 1억 5,500만 달러 규모의 투자 라운드에 Ayar Labs에 투자했으며, 광 인터커넥트가 미래 AI 하드웨어 확장의 핵심이 될 것이라 보고 있습니다 nextplatform.com. 한 저널리스트의 농담처럼, 만약 칩을 더 빠르게 만들어도 충분한 속도를 얻지 못한다면, “아마도 투자할 다음 최고의 대상은 어떤 형태로든 광 I/O일 것이다.” nextplatform.com

AI 칩 간 데이터 이동을 넘어서, 실리콘 포토닉스는 AI를 위한 광 컴퓨팅도 가능하게 하고 있습니다. 이는 특정 연산(예: 신경망의 행렬 곱셈)을 전기가 아닌 빛을 사용해 수행하는 것으로, 오늘날 전자식 AI 가속기의 속도와 에너지 한계를 일부 우회할 수 있습니다. Lightmatter와 Lightelligence와 같은 기업들은 실리콘 웨이브가이드 내 빛의 간섭을 이용해 결과를 병렬로 계산하는 포토닉 프로세서 시제품을 만들었습니다. 2024년 말, Lightmatter는 광 컴퓨팅 기술을 발전시키기 위해 4억 달러의 시리즈 D 투자를 유치(기업 가치 44억 달러)했습니다 nextplatform.com. 아직 초기 단계이지만, 이러한 포토닉 AI 가속기는 신경망을 초고속, 저지연으로 실행하면서도 전력 소모가 훨씬 적을 것으로 기대됩니다. 이는 광자가 수십억 개 트랜지스터의 스위칭 이벤트에 비해 거의 열을 발생시키지 않기 때문입니다.

전반적으로, AI 모델의 크기와 복잡성이 증가함에 따라 (수만 개의 칩 클러스터가 필요해지면서) 실리콘 포토닉스는 AI 인프라의 통신 병목 현상을 극복할 수 있는 “패러다임의 전환”으로 여겨지고 있습니다 laserfocusworld.com. 이는 프로세서 간 대역폭을 수요에 따라 선형적으로 확장할 수 있는 방법을 제공하며, 이는 전기적 연결로는 어려운 일입니다. 업계 관측통들은 광학 기술(예: 공동 패키지 광학, 칩 간 광 연결, 그리고 가능하다면 포토닉 컴퓨팅 요소 등)이 앞으로 몇 년 내에 AI 시스템에서 표준이 될 것으로 예측하고 있습니다. 이는 단순한 틈새 실험이 아닙니다. 실제로 한 추정에 따르면, AI 데이터 센터의 성장 속도가 너무 빨라(전력 소비 연평균 50% 성장) 2030년까지 기존 전기식 I/O로는 지속 가능하지 않을 수 있으며, 이로 인해 실리콘 포토닉스가 “미래 인프라의 필수적인 부분”이 되어 AI의 확장성을 유지할 것이라고 합니다 laserfocusworld.com.

통신 및 네트워킹

실리콘 포토닉스는 통신 분야에서 시작되었으며, 우리가 장거리로 데이터를 전송하는 방식을 계속 혁신하고 있습니다. 광섬유 통신 네트워크—인터넷 백본, 해저 케이블, 도시 및 액세스 네트워크 등—에서 집적 포토닉스는 더 작고, 더 빠르며, 더 저렴한 광 트랜시버를 만드는 데 사용됩니다. 기존의 광통신 시스템은 종종 개별적으로 조립된 분리형 부품(레이저, 변조기, 검출기 등)에 의존했지만, 실리콘 포토닉 집적 기술은 이러한 많은 부품을 하나의 칩에 집적할 수 있어 신뢰성을 높이고 조립 비용을 줄일 수 있습니다 tanaka-preciousmetals.com.

오늘날, 실리콘 포토닉스를 사용하는 광 트랜시버 모듈은 데이터 센터 상호 연결에서 일반적으로 사용되며, 100G, 400G 및 그 이상을 위한 통신 인프라에서도 점점 더 채택되고 있습니다. 예를 들어, Infinera와 Cisco (Acacia)와 같은 기업들은 통신 네트워크의 400G 및 800G 링크를 위해 실리콘 포토닉스를 이용한 코히런트 광 트랜시버를 개발했습니다. 브로드밴드 및 5G/6G 무선 네트워크 또한 이점을 얻고 있습니다. 셀룰러 타워를 연결하거나 프론트홀/백홀 데이터를 전송하는 광섬유 링크는 실리콘 포토닉스를 통해 더욱 효율적으로 만들 수 있습니다. 인텔은 실리콘 포토닉스가 “오늘날 100G에서 내일의 400G 및 그 이상까지, 더 작은 폼팩터와 더 높은 속도를 사용하는 차세대 5G 구축”에 중요한 역할을 할 것이라고 강조했습니다 expertmarketresearch.com. 칩 위에 수십 개의 레이저 파장을 집적할 수 있는 능력은, 통신 사업자들이 각 광섬유에 더 많은 채널을 실을 수 있도록 하는 고밀도 파장분할다중화(DWDM) 시스템에 유용합니다. 2023년에는 중국 기업 InnoLight가 1.6 Tb/s 광 트랜시버(다중 파장 및 고급 변조 방식 사용)를 시연하기도 했습니다. 이는 멀티 테라비트 광 링크가 가까운 미래에 등장할 것임을 보여줍니다 optics.org.

또 다른 네트워킹 응용 분야는 코어 라우팅 및 스위칭 장비입니다. 하이엔드 라우터와 광 스위칭 플랫폼은 광 스위칭, 신호 라우팅, 심지어 칩 내 파장 필터링과 같은 기능을 위해 실리콘 포토닉 회로를 사용하기 시작했습니다. 예를 들어, 실리콘 MEMS 또는 열광학 효과를 이용해 빛의 경로를 빠르게 전환하는 대형 실리콘 포토닉 스위치 패브릭이 시제품으로 개발되었습니다. 이는 궁극적으로 데이터 센터 네트워크에서 광학적으로 연결을 실시간으로 재구성할 수 있게 해줄 수 있습니다(구글은 일부 AI 클러스터에서 광 스위치 사용을 시사한 바 있습니다) nextplatform.com.

전체적으로, 통신 분야에서 목표는 더 높은 용량과 비트당 더 낮은 비용입니다. 실리콘 포토닉스는 광섬유 용량 확장(100G → 400G → 800G 및 파장당 1.6T)과 CMOS 팹 공정을 통한 제조 비용 절감으로 이를 지원합니다. 인텔의 실리콘 포토닉스 부서가 구조조정되기 전, 2016년부터 2023년까지 데이터 센터 및 네트워킹 용도로 800만 개 이상의 포토닉 트랜시버 칩을 출하했다는 점은 주목할 만합니다 optics.org. 그리고 업계 협력도 증가하고 있습니다. 예를 들어, 인텔은 2023년 말 트랜시버 제조를 생산 확대를 위해 Jabil(계약 제조사)로 이전한다고 발표했습니다 optics.org. 한편, Coherent(구 II-VI)와 같은 광학 부품 대기업 및 기존 통신 장비 공급업체(노키아, 시에나 등)도 차세대 광 모듈을 위해 실리콘 포토닉스에 투자하고 있습니다 optics.org. 이 기술은 인터넷의 물리적 인프라와 빠르게 진화하는 5G/6G 통신 생태계의 핵심이 되어가고 있습니다.

센싱 및 LiDAR

실리콘 포토닉스는 단순히 통신에만 국한되지 않습니다. 칩 위에서 빛을 정밀하게 제어함으로써 새로운 종류의 센서를 가능하게 하고 있습니다. 흥미로운 분야 중 하나는 생화학 및 환경 센싱입니다. 실리콘 포토닉 센서는 샘플(예: 혈액 한 방울이나 화학 증기)이 유도된 광 빔과 상호작용할 때 굴절률이나 흡수의 미세한 변화를 감지할 수 있습니다. 예를 들어, 실리콘 포토닉 칩에는 특정 분자가 결합할 때 주파수가 변하는 작은 링 공진기나 간섭계가 있을 수 있습니다. 이를 통해 바이오마커(단백질, DNA, 가스 등)를 실험실 칩 형태로 고감도, 저비용으로 감지할 수 있습니다. 이러한 포토닉 바이오센서는 의료 진단, 환경 모니터링, 또는 “인공 코” 응용 분야에 사용될 수 있습니다 optics.org optics.org. 소형화 및 집적의 이점이 핵심입니다. 하나의 실리콘 포토닉 센서 칩에 광원, 센싱 소자, 광 검출기를 통합해 부피가 크고 복잡한 광학 실험 장비 대신 작고 견고한 센서를 제공할 수 있습니다. 실리콘 나이트라이드 포토닉스(가시광선 파장에 더 적합한 변형) 연구는 SiN이 형광이나 라만 신호 등 순수 실리콘으로는 불가능한 가시광선 센싱을 가능하게 하면서 더 많은 센싱 응용 분야를 열고 있습니다.

또 다른 급성장 중인 응용 분야는 자율주행차, 드론, 로보틱스를 위한 LiDAR(광 탐지 및 거리 측정)입니다. LiDAR 시스템은 레이저 펄스를 쏘고 반사된 빛을 측정하여 거리를 매핑합니다. 본질적으로 “3D 레이저 비전”입니다. 기존의 LiDAR 장치는 종종 기계식 스캐닝과 개별 레이저/검출기에 의존하기 때문에 비싸고 다소 부피가 큽니다. 실리콘 포토닉스는 빔 스티어링 소자, 분할기, 변조기, 검출기를 단일 칩에 집적하여 LiDAR를 칩 위에 구현할 수 있는 방법을 제공합니다. 실리콘 포토닉 LiDAR는 고체 상태 빔 스티어링(예: 광 위상 배열)을 사용하여 움직이는 부품 없이 환경을 스캔할 수 있습니다. 이는 LiDAR 장치의 크기와 비용을 대폭 줄여줍니다. 실제로 인텔의 모빌아이(Mobileye)는 2025년경 차세대 자율주행 LiDAR 센서에 실리콘 포토닉 집적 회로를 사용할 것임을 밝혔습니다 tanaka-preciousmetals.com. 이러한 집적화는 LiDAR 비용을 낮추고 자동차에 대량 탑재를 가능하게 할 수 있습니다. 실리콘 포토닉스 기반 LiDAR는 또한 칩에 내장된 다중 파장 또는 코히런트 검출 기술을 활용하여 더 빠른 스캔과 더 높은 해상도를 달성할 수 있습니다. 추가적인 이점으로, 이러한 집적 솔루션은 일반적으로 전력 소모가 적어 전기차에 중요한 요소가 됩니다.

Ansys에 따르면, “실리콘 포토닉스 기반 LiDAR 솔루션은 더 작고, 전력 소모가 적으며, 개별 부품으로 구성된 시스템보다 제조 비용이 저렴하다”고 합니다. ansys.com 이 말은 왜 스타트업부터 대기업까지 수많은 기업들이 포토닉 LiDAR 개발에 뛰어들고 있는지를 간결하게 설명합니다. 이미 FMCW LiDAR(주파수 변조 연속파 LiDAR) 프로토타입이 등장하고 있는데, 이는 조정 가능한 레이저와 간섭계 같은 정밀한 포토닉 회로가 필요합니다. 실리콘 포토닉스는 이에 적합한 플랫폼이며, 전문가들은 집적 포토닉스가 FMCW LiDAR를 대량 생산 가능한 수준(장거리 및 간섭 내성)으로 만드는 핵심이 될 것이라고 예측합니다 optics.org optics.org. 가까운 미래에는 고성능을 제공하는 소형 칩 기반 LiDAR 장치가 탑재된 자동차와 드론을 볼 수 있을 것입니다. 이는 실리콘 포토닉스 혁신의 직접적인 산물입니다.

LiDAR를 넘어, 다른 센싱 용도로는 자이로스코프 및 관성 센서(칩 위의 링 레이저 자이로를 이용한 내비게이션), 그리고 분광기(화학 분석을 위한 집적 광학 분광기) 등이 있습니다. 공통점은 실리콘 포토닉스가 광학 측정의 정밀성을 소형화되고 제조 가능한 형태로 제공한다는 점입니다. 이는 소비자 전자제품(예: 스마트워치의 광학 건강 센서), 산업 모니터링, 과학 기기 등에서 새로운 가능성을 열고 있습니다.

양자 컴퓨팅 및 포토닉 양자 기술

양자 컴퓨터를 향한 탐구에서, 광자(빛 입자)는 독특한 역할을 합니다. 전자와 달리, 광자는 환경과 상호작용하지 않고 장거리를 이동할 수 있어(양자 정보를 전송하는 데 유용), 특정 양자 컴퓨팅 방식에서는 광자 자체를 큐비트로 사용합니다. 실리콘 포토닉스는 양자 컴퓨팅 및 네트워킹 연구를 위한 선도적인 플랫폼으로 부상했습니다.

여러 스타트업과 연구 그룹이 실리콘 기반 포토닉 회로를 사용하여 빛에 인코딩된 큐비트를 생성하고 조작하는 포토닉 양자 컴퓨터 개발에 힘쓰고 있습니다. 예를 들어, PsiQuantum이라는 막대한 투자를 받은 스타트업은 반도체 팹과 협력하여 수천 개의 실리콘 포토닉 큐비트 채널을 이용한 대규모 양자 컴퓨터를 구축하고 있습니다. 이 아이디어는 단일 광자 소스, 빔 스플리터, 위상 시프터, 광자 검출기와 같은 장치를 칩 위에 통합하여 광자를 이용한 양자 논리를 수행하는 것입니다. 여기서 실리콘 포토닉스의 장점은 확장성입니다. CMOS 제조 공정을 활용하기 때문에(이론적으로) 수백, 수천 개의 부품으로 이루어진 매우 복잡한 양자 포토닉 회로를 만들 수 있는데, 이는 다른 양자 하드웨어 방식에서는 훨씬 더 어렵습니다. 실제로, 연구자들은 최근 수천 개의 부품이 함께 작동하여 양자 빛을 조작하는 실리콘 포토닉 칩을 시연했습니다 nature.com

실리콘 포토닉스는 또한 양자 네트워킹—양자 키 분배(QKD)와 얽힌 광자를 이용한 보안 통신—을 가능하게 합니다. 이는 소형이면서도 안정적인 광학 양자 송수신기 플랫폼을 제공하기 때문입니다. 또한, 특정 양자 센서 기술(예: 광학 양자 자이로스코프 또는 단일 광자 LiDAR) 역시 실리콘 포토닉 칩을 핵심으로 사용할 수 있습니다.

포토닉 양자 컴퓨팅의 주요 과제 중 하나는 단일 광자를 필요할 때 생성하고 손실 없이 라우팅하는 것입니다. 흥미롭게도, 고전적 실리콘 포토닉스에 적용되는 동일한 한계(및 해결책)가 양자에도 적용됩니다: 실리콘은 본질적으로 레이저 발진을 하지 않으므로, 양자 포토닉 칩은 종종 집적 비선형 공정이나 양자점 소스를 사용해 단일 광자를 생성하거나, 특수 소재를 하이브리드 집적합니다. 장점 역시 비슷합니다—높은 정밀도와 소형화입니다. Ansys 보고서에 따르면, 양자 컴퓨터는 계산에 광자를 사용하며, 집적 포토닉스로 광자를 관리하면 속도, 정확성, 비용 면에서 이점이 있습니다 ansys.com. 실제로 실리콘 포토닉스는 양자 시스템을 실험실 수준에서 실제 기계로 확장하는 데 필요한 안정성과 제조 용이성을 제공합니다.

컴퓨팅 외에도, 양자 광자 센서(예: 추가 감도를 위해 양자 상태를 활용하는 간섭계)와 양자 난수 생성기는 실리콘 포토닉스가 영향을 미치고 있는 또 다른 분야입니다. 광자 기반 양자 컴퓨팅은 아직 개발 중이며 성숙 단계까지는 몇 년이 더 걸릴 것으로 보이지만, 이 분야에 대한 막대한 투자는 그 가능성을 보여줍니다. 2022년, 선도적인 연구자인 John Bowers 교수는 실리콘 포토닉스가 양자를 포함한 많은 새로운 응용 분야와 함께 빠르게 발전하고 있다고 강조했습니다 nature.com. 최초의 대규모 양자 컴퓨터가 실제로 실리콘 포토닉 칩 위에 구축된 광학식이 될 수도 있다는 점은 충분히 예견할 수 있습니다. 이는 원래 통신을 위해 개발된 기술이 컴퓨팅의 다음 도약을 가능하게 할 수 있다는 흥미로운 순환입니다.

현재 동향 및 개발 현황(2025년)

2025년 현재, 실리콘 포토닉스는 엄청난 모멘텀을 얻고 있습니다. 여러 가지 트렌드가 결합되어 이 기술을 연구실과 틈새 시장에서 기술 산업의 주류로 밀어 올리고 있습니다:

데이터 병목 현상과 Co-Packaged Optics: AI와 클라우드 서비스 등에서 데이터에 대한 끝없는 수요로 인해 전기적 인터커넥트가 심각한 병목 현상이 되고 있습니다. 이제는 인터커넥트의 대역폭을 두 배로 늘릴 때마다 신호 무결성을 유지하기 위해 구리 케이블 길이를 절반으로 줄여야 하는 지경에 이르렀습니다 nextplatform.com – 이는 지속 불가능한 절충안입니다. 이러한 긴급성으로 인해 co-packaged optics (CPO)와 같은 접근 방식에 관심이 집중되고 있습니다. 이 방식은 광 엔진을 스위치 ASIC 또는 프로세서 칩 바로 옆에 배치하여 거의 모든 전기적 전송 거리를 제거합니다. 2023년에는 여러 기업이 스위치에서 co-packaged optics를 시연했습니다(예: Broadcom의 25.6 Tb/s 및 51.2 Tb/s 스위치 프로토타입과 통합 레이저 포토닉 엔진). 업계 로드맵에 따르면 co-packaged 실리콘 포토닉스가 적용된 51.2 Tb/s 이더넷 스위치 칩이 1~2년 내에 시장에 출시될 것으로 보입니다 tanaka-preciousmetals.com, 그리고 2026~2027년경에는 광 I/O를 직접 활용하는 최초의 CPU/GPU가 등장할 가능성이 높습니다 nextplatform.com. 즉, 인터커넥트의 광학 시대가 실제 시스템에서 곧 시작될 것입니다. Intel, Nvidia, Cisco 등도 모두 CPO 솔루션을 적극적으로 개발 중입니다. 실제로 Intel의 Tomambe 프로젝트 등은 이미 스위치 칩과 통합된 1.6 Tb/s 포토닉 엔진을 시연한 바 있습니다 tanaka-preciousmetals.com. 전반적인 합의는 이렇습니다: 수년간의 연구 끝에 co-packaged optics가 프로토타입에서 제품 단계로 전환되고 있으며, 광원과 데이터 소스를 더 가깝게 배치해 비트당 전력 소모를 줄이는 것을 목표로 하고 있습니다(한 추정에 따르면 플러거블 대비 30% 전력 절감 laserfocusworld.com).
투자 및 스타트업 활동의 급증: 지난 몇 년간 실리콘 포토닉스 벤처에 대규모 투자와 자금 조달이 이루어졌습니다. 이는 업계가 이 기술의 미래에 대해 신뢰를 가지고 있음을 반영합니다. 예를 들어, 2024년 말 Ayar Labs는 광 I/O 솔루션을 확장하기 위해 1억 5,500만 달러 규모의 시리즈 D 투자를 유치했으며(이로 인해 기업 가치는 10억 달러를 넘어 “유니콘” 지위에 올랐습니다); 특히 이번 라운드에는 Nvidia, AMD, 그리고 Intel이 전략적 투자자로 참여했습니다 nextplatform.com. 마찬가지로, 포토닉 컴퓨팅 스타트업인 Lightmatter는 2024년에 광 AI 가속기 플랫폼을 발전시키기 위해 4억 달러의 자금을 확보했습니다 nextplatform.com. 또 다른 스타트업인 Celestial AI는 AI용 광 인터커넥트에 집중하고 있으며, 2024년 초에 1억 7,500만 달러를 조달했을 뿐만 아니라, 2024년 10월에 Rockley Photonics의 실리콘 포토닉스 IP 포트폴리오를 인수(한때 센싱 중심의 포토닉스 기업)하는 데 2,000만 달러를 투입했습니다 datacenterdynamics.com. 이 인수로 Celestial AI는 실리콘 포토닉스 관련 200개 이상의 특허를 확보했으며, 업계 내 일부 통합이 진행되고 있음을 보여줍니다 – 가치 있는 포토닉스 기술을 보유한 소규모 업체들(Rockley는 웨어러블용 첨단 변조기와 집적 광학 기술을 개발했음)이 데이터센터 및 AI 시장을 겨냥한 기업에 흡수되고 있습니다. 또한 HyperLight와 Lightium이라는 두 스타트업이 박막 리튬 나이오베이트 포토닉 칩을 전문으로 하며, 2023년에 총 4,400만 달러의 투자를 유치했습니다 optics.org. 이는 실리콘 포토닉스를 개선하기 위한 신소재(박막 리튬 나이오베이트 변조기는 더 빠른 속도와 낮은 손실을 제공할 수 있음)에 대한 관심을 보여줍니다. 전반적으로, 실리콘 포토닉스 기업에 대한 VC 자금과 기업의 지원은 사상 최고 수준에 이르렀으며, 광학 기술이 미래 반도체에 필수적임을 인식하고 있음을 반영합니다.
기술 성숙 및 생태계 성장: 또 다른 트렌드는 실리콘 포토닉스 생태계의 성숙입니다. 이제 더 많은 파운드리와 공급업체가 이 시장에 진입하고 있습니다. 과거에는 인텔이나 럭스테라(Luxtera)와 같은 소수의 업체만이 엔드 투 엔드(end-to-end) 역량을 보유하고 있었습니다. 이제는 GlobalFoundries, TSMC, 심지어 STMicroelectronics와 같은 대형 반도체 파운드리도 실리콘 포토닉스 공정 라인이나 표준화된 포토닉 PDK(공정 설계 키트)를 고객에게 제공합니다 ansys.com. 이러한 표준화 덕분에 스타트업이나 소규모 기업도 자체 팹을 구축하지 않고 포토닉 회로를 설계하고 제작할 수 있게 되었습니다. 이는 팹리스 전자 칩 회사들이 운영하는 방식과 유사합니다. 포토닉 칩을 위한 정기적인 멀티 프로젝트 웨이퍼(MPW) 셔틀이 운영되어, 여러 설계가 하나의 웨이퍼 런을 공유함으로써 프로토타입 제작 비용을 대폭 줄이고 있습니다. 업계 단체들은 포토닉 칩이 제품에 더 쉽게 통합될 수 있도록 표준화된 패키징 솔루션(광 I/O 인터페이스, 광섬유 부착 방식 등)을 개발하고 있습니다. 미국 집적 포토닉스 제조 연구소(AIM Photonics)의 설립은 큰 도약이었습니다. 이 공공-민간 컨소시엄은 뉴욕에 실리콘 포토닉스 파운드리와 패키징 라인을 구축했으며, 최근 3억 2,100만 달러, 7년(2028년까지) 프로그램을 수주하여 미국 내 집적 포토닉스 제조를 촉진하고 있습니다. nsf.gov. 유럽에서도 벨기에의 IMEC과 프랑스의 CEA-Leti와 같은 연구소들이 실리콘 포토닉스 플랫폼을 제공하며 포토닉스 스타트업 클러스터를 육성하고 있습니다. 중국에서도 InnoLight, 화웨이(Huawei) 등 기업들이 국내 포토닉 칩 역량에 투자하면서 실리콘 포토닉스가 뜨거워지고 있습니다 optics.org optics.org. 이 모든 발전은 실리콘 포토닉스가 더 이상 실험적인 기술이 아니라 반도체 도구 상자의 표준적인 일부가 되고 있음을 보여줍니다.
더 빠른 속도와 새로운 소재들: 기술적으로, 우리는 실리콘 포토닉스 소자의 성능을 끌어올리는 데 있어 빠른 진전을 목격하고 있습니다. 800G 광 트랜시버가 현재 샘플링 중이며, 1.6Tb/s 모듈이 시연되었고 optics.org, 3.2Tb/s 플러그형 모듈이 2026년까지 기대되고 있습니다 optics.org. 이러한 속도를 달성하기 위해 엔지니어들은 16채널 파장 다중화부터 첨단 변조 방식까지 모든 것을 활용하고 있습니다. 본질적으로 광 영역을 활용해 더 많은 비트를 담고 있는 셈입니다. 소자 수준에서는, 실리콘의 한계를 극복하기 위해 새로운 소재들이 실리콘 포토닉스에 통합되고 있습니다. 대표적인 예가 박막 리튬 나이오베이트(TFLN) 온 실리콘으로, 매우 빠른 포켈스 효과 변조기를 낮은 손실로 제공합니다. 이는 100GHz 이상의 변조 대역폭을 처리할 수 있는 변조기를 가능하게 하여, 미래의 1.6T 및 3.2T 링크나 심지어 양자 응용에도 적합할 수 있습니다 optics.org. HyperLight와 같은 스타트업들은 이러한 하이브리드 LiNbO3/Si 칩을 상용화하고 있습니다. 연구개발 중인 다른 소재로는 바륨 타이타네이트(BTO) 전기광학 변조기와 칩 내 레이저/증폭기를 위한 희토류 도핑 소재 등이 있습니다 optics.org. 또한, 더 나은 레이저와 광 증폭기를 위해 III-V족 반도체(InP, GaAs)를 실리콘에 통합하는 연구도 계속되고 있습니다. 예를 들어, 실리콘 위에 직접 성장시킨 양자점 레이저는 초기 시도에서 문제였던 신뢰성 문제를 해결하며 큰 발전을 이루었습니다 nature.com nature.com. 요약하자면, 실리콘 포토닉스를 위한 소재 팔레트가 넓어지고 있으며, 이는 더 높은 성능과 새로운 기능을 가져올 것입니다. 심지어 실리콘 포토닉스 기반의 마이크로콤(microcombs)(광 주파수 콤 소스)가 초고속 데이터 전송 및 정밀 분광과 같은 응용에 사용되는 것도 볼 수 있는데, 이는 10년 전만 해도 상상하기 힘들었던 일입니다.
신흥 애플리케이션 및 제품: 핵심 애플리케이션과 더불어, 2025년에는 몇 가지 새로운 사용 사례가 등장하고 있습니다. 그 중 하나는 AI를 위한 광학 컴퓨팅(앞서 논의됨)으로, 연구 데모 단계에서 초기 제품 단계로 이동하고 있습니다. 예를 들어, Lightelligence는 AI 추론 가속을 위한 광자 컴퓨팅 하드웨어를 공개했습니다. 또 다른 예는 첨단 패키징에서의 칩-투-칩 광 연결입니다. 기업들이 멀티칩 모듈과 칩렛을 탐구함에 따라, 광 연결은 패키지나 인터포저를 가로질러 이러한 칩렛을 고속으로 연결할 수 있습니다. UCIe(Universal Chiplet Interconnect Express)와 같은 표준은 광학 PHY 확장까지도 고려하고 있습니다. 정부의 관심도 보이고 있습니다. DARPA 및 기타 기관들은 국방 시스템(고성능 처리 및 RF 신호 라우팅용)에서 광자 인터커넥트를 사용하는 프로그램을 진행 중입니다. 소비자 분야에서도, 몇 년 내에 광학 I/O가 소비자 기기에 등장할 것이라는 추측이 있습니다. 예를 들어, 실리콘 포토닉 칩을 사용한 고대역폭 센서 연결의 AR/VR 헤드셋이나, AR 글래스를 위한 광학 Thunderbolt 케이블 등이 있습니다. 아직 실현되지는 않았지만, 이러한 아이디어들은 이미 설계 단계에 있습니다.

요약하자면, 2025년의 실리콘 포토닉스는 변곡점에 도달했다고 할 수 있습니다. (특히 네트워킹 분야에서) 중요한 상용 제품이 출시되고 있고, 막대한 투자가 이루어지며, 생태계가 성숙해지고 있습니다. 앞으로 컴퓨팅과 연결성에서 광학이 근본적인 역할을 하게 될 것이 점점 더 분명해지고 있습니다. 한 업계 평론가의 말처럼, 이 10년 후반에는 많은 이들이 광학 I/O가 파일럿 라인에서 주류 생산으로 이동할 것으로 기대하고 있습니다. – “2025년 세대의 컴퓨트 엔진에는 실리콘 포토닉스가 없을 수 있지만, 2026년 세대에는 들어갈 수 있고, 2027년 세대에는 거의 확실히 들어갈 것”이라고 합니다. 왜냐하면 궁극적으로 선택의 여지가 없기 때문입니다. – “구리의 시대는 끝났다.” nextplatform.com

과제와 한계

이 모든 기대에도 불구하고, 실리콘 포토닉스는 여러 가지 과제와 한계에 직면해 있으며, 연구자와 엔지니어들이 이를 극복하기 위해 적극적으로 노력하고 있습니다. 이는 변혁적인 기술이지만, 만능 해결책은 아닙니다 – 적어도 아직까지는 그렇지 않습니다. 주요 난관은 다음과 같습니다:

광원 통합: 아마도 가장 악명 높은 한계는 실리콘이 빛을 잘 생성하지 못한다는 점입니다. 실리콘은 간접 밴드갭을 가지고 있어 레이저나 효율적인 LED로 작동할 수 없습니다. 광자공학의 선구자 John Bowers는 이를 직설적으로 “실리콘은 빛을 내는 데 정말 형편없다.”라고 표현합니다. nature.com 실리콘의 내부 효율은 거의 0에 가까우며, 실리콘 내 전자 백만 개 중 하나만이 광자를 생성합니다. 반면, 인듐 인산화물이나 갈륨 비소와 같은 III-V 반도체는 거의 100% 효율로 빛을 방출할 수 있습니다 nature.com. 이는 실리콘 포토닉 칩에 레이저를 탑재하려면 일반적으로 다른 소재를 도입해야 함을 의미합니다. 이는 하이브리드 통합(레이저 다이오드가 있는 InP 웨이퍼 조각을 실리콘 웨이퍼에 본딩)이나, 실리콘 위에 직접 나노구조화된 III-V 레이저를 성장시키는 최신 기술로 구현할 수 있습니다. 이 분야의 진전은 고무적입니다. 기업과 연구소(인텔, UCSB 등)는 대규모 하이브리드 통합 레이저를 시연했으며, 최근에는 300mm 실리콘 웨이퍼 위에 성장시킨 양자점 레이저도 신뢰성 있게 구현했습니다 nature.com nature.com. 그럼에도 불구하고 레이저 통합은 복잡성과 비용을 증가시킵니다. 레이저가 칩 외부(광섬유를 통해 결합된 별도의 레이저 모듈)에 있다면, 그 빛을 작은 온칩 웨이브가이드에 효율적으로 결합하는 또 다른 과제에 직면하게 됩니다. 요약하면, 칩에 빛을 넣는 것은 결코 간단한 일이 아닙니다. 업계는 이종 집적(하나의 칩에 여러 소재 사용)과 전기적으로 펌핑되는 게르마늄-실리콘 레이저 또는 실리콘 기반 라만 레이저와 같은 새로운 접근법도 모색하고 있지만, 이들은 아직 초기 단계입니다. 2025년 기준, 대부분의 실리콘 포토닉스 시스템은 하이브리드 레이저 또는 외부 결합 레이저를 사용합니다. 이 분야는 여전히 활발한 연구가 진행 중인 핵심 영역입니다.
제조 및 수율: 실리콘 포토닉 회로는 기존 반도체 공장에서 제조할 수 있지만, 전자 칩과는 다른 요구 사항이 있습니다. 예를 들어, 광학은 매우 정밀한 치수 제어가 필요합니다. 웨이브가이드의 폭이나 간격이 몇 나노미터만 달라져도 공진기의 파장이나 빛의 위상이 달라질 수 있습니다. 높은 수율(즉, 많은 칩에서 일관된 성능)을 달성하는 것은 도전적입니다. 또한, 하나의 공정 흐름에서 여러 재료(실리콘, 실리콘 나이트라이드, III-V족, 금속)를 통합하는 것은 복잡성을 더할 수 있습니다. 광섬유를 칩에 결합하는 것도 수율 및 제조상의 도전 과제입니다. 미세한 광섬유를 마이크론 크기의 웨이브가이드 단면에 정렬하는 것은 현재 종종 값비싼 능동 정렬이 필요합니다. 이러한 단계 중 일부는 여전히 제조에서 반자동으로 이루어지고 있어 대량 생산에 적합하지 않습니다. 패키징 기술을 개선하기 위한 많은 연구가 진행 중이며, 표준화된 광섬유 부착 유닛을 사용하거나, 광섬유가 칩 위에서 더 쉽게 빛을 결합할 수 있도록 하는 격자 결합기를 도입하는 방법 등이 있습니다. 전자 + 포토닉 칩이 결합된 패키징도 까다롭습니다. 예를 들어, 하나의 패키지에 포토닉 다이와 전자 ASIC이 함께 있을 경우, 이들을 정렬해야 하고, 또한 열을 관리해야 합니다(전자 부품이 뜨거워지면 포토닉스에 영향을 줄 수 있기 때문입니다). Ansys는 전자와 포토닉스가 하나의 칩을 공유한다면, 제조 접근 방식이 각각의 요구를 균형 있게 맞춰야 하며, 별도의 칩이라면 고급 패키징이 필요하다고 언급합니다 – “전자 부품에서 발생하는 열이 포토닉스에 영향을 줄 수 있습니다.” ansys.com 열 조정도 또 다른 문제입니다. 많은 실리콘 포토닉 필터와 변조기는 열 효과에 의존하므로, 온도 변화로 인해 회로가 튜닝이 어긋나고, 이를 안정화하기 위해 전력이 필요합니다. 이 모든 것이 제조를 복잡하게 하고 비용을 증가시킵니다.
비용과 물량: 비용에 대해 말하자면 – 실리콘 포토닉스는 저렴한 비용을 대량 실리콘 팹을 활용해 약속하지만, 오늘날 현실은 이 장치들이 여전히 비교적 틈새 시장에 머물러 있고 비싸다는 점입니다. 업계는 (데이터 센터의 트랜시버로) 수백만 개의 유닛을 출하하고 있지만, 진정으로 비용을 낮추려면 연간 수십억 개의 유닛을 출하해야 할 가능성이 높습니다 ansys.com. 다시 말해, 아직 범용 전자제품 수준의 규모에는 도달하지 못했습니다. 이 장치들은 또한 (앞서 언급한 대로) 특수 패키징과 테스트가 필요해 비용이 추가됩니다. 현재 데이터 센터용 실리콘 포토닉스 트랜시버는 수백~수천 달러에 달할 수 있는데, 이는 해당 시장에서는 허용 가능하지만 소비자 시장에는 너무 비쌉니다. 경제성은 매우 대규모에서는 다소 불확실합니다 – 한 보고서에 따르면, 대형 클라우드 구매자들은 실리콘 포토닉스를 광범위하게 도입할 경우 신뢰성과 비용 구조를 우려하는데, 이 기술이 아직 주류 실리콘의 제조 학습 곡선에 도달하지 못했기 때문입니다 nextplatform.com. 하지만 비용은 꾸준히 개선되고 있으며, 파운드리 표준 PDK와 자동화 같은 노력이 도움이 되고 있습니다. 향후 몇 년간, (AI와 데이터 센터에 의해) 물량이 증가함에 따라 비용이 하락할 것으로 보이며, 이는 더 많은 시장을 열게 될 것입니다(일단 선순환이 시작되면 계속됩니다). 그럼에도 불구하고, 2025년에는 장치당 비용이 비용에 민감한 응용 분야에서 실리콘 포토닉스 도입의 제한 요인이 될 수 있습니다.
전력 소비와 효율: 실리콘 포토닉스는 매우 높은 속도에서 데이터 전송 전력을 줄일 수 있지만, 장치 자체도 여전히 전력을 소비합니다 – 예를 들어, 변조기는 종종 열 튜닝이나 전류를 소모하는 PN 접합을 사용하고, 레이저 역시 당연히 전력을 소모합니다. 전자 신호를 광 신호로, 다시 전자 신호로 변환하는 데 오버헤드가 있습니다. 시스템 수준에서 진정한 전력 절감 효과를 내려면, 이러한 오버헤드가 긴 전기 연결을 없앰으로써 얻는 절감분보다 작아야 합니다. 오늘날의 실리콘 포토닉스 트랜시버는 (광 변환 기준 비트당 수 피코줄 수준으로) 꽤 전력 효율적이지만, 특히 온칩이나 메모리 버스에서 광 I/O가 사용될 경우 효율이 매우 높아야 하므로 더 낮은 전력을 추구하고 있습니다. 한 가지 유망한 접근법은 전기-광학 소재(예: LiNbO3 또는 BTO)를 사용해 열 튜닝 대신 매우 낮은 전압(따라서 더 낮은 전력)으로 빛을 변조하는 것입니다. 또한, 더 효율적인 광원(예: 양자점 레이저)을 집적하면 레이저 전력 낭비를 줄일 수 있습니다(현재의 분포 피드백 레이저는 종종 많은 에너지를 열로 낭비합니다). 따라서 실리콘 포토닉스는 거시적 수준에서 상호연결 전력 문제를 해결하지만, 미시적 수준에서는 엔지니어들이 장치별 전력 소비를 계속 최적화하고 있습니다. 좋은 소식은: 현재 기술만으로도, 패키지 일체형 광학은 기존 플러그형 대비 전체 상호연결 전력을 약 30% 줄일 수 있으며 laserfocusworld.com, 향후 개선으로 이 효과는 더 커질 것입니다.
설계 및 설계 도구: 이는 덜 명확하지만 중요한 도전 과제입니다. 포토닉 회로 설계는 새로운 기술이며, 포토닉스를 위한 EDA(전자 설계 자동화) 도구는 전자공학용만큼 성숙하지 않았습니다. 광 회로, 특히 많은 부품이 포함된 대형 회로를 시뮬레이션하는 것은 복잡할 수 있습니다. 제작 과정에서의 변동성도 설계에 반영해야 하며(작은 오류를 보정하기 위해 열 조정기가 필요할 수 있음), 전자와 포토닉 회로 부분을 함께 최적화할 수 있는 더 나은 설계 도구가 필요합니다. 이를 흔히 EPDA(전자-포토닉 설계 자동화)라고 부릅니다. 생태계는 점차 발전하고 있으며, Synopsys, Cadence, Lumerical(Ansys)과 같은 기업들이 포토닉 설계 도구를 제공하고 있지만, 여전히 발전 중인 분야입니다. 관련된 문제로는 일부 영역에서의 표준 부족이 있습니다. 많은 파운드리가 PDK를 제공하지만, 각기 다른 부품 라이브러리와 파라미터를 가질 수 있습니다. 이로 인해 설계의 이식성이 전자 설계만큼 높지 않을 수 있습니다. 업계는 공통 표준(예: 포토닉 회로의 레이아웃 교환 포맷, 표준화된 부품 모델 등)으로 나아가고 있지만, 설계 흐름을 간소화하기 위해 더 많은 노력이 필요합니다. 견고한 인재 파이프라인 구축도 매우 중요합니다. RF/마이크로파 아날로그 스타일 설계와 광학 물리학을 모두 이해하는 엔지니어가 필요한데, 이들은 부족한 상황입니다(하지만 많은 대학에서 이제 이 융합 분야의 졸업생을 배출하고 있습니다).
성능 한계: 실리콘 포토닉스가 특정 지표를 획기적으로 개선하긴 하지만, 고유의 물리적 한계도 존재합니다. 광 손실은 웨이브가이드에서 낮은 편(~dB/cm 범위)이지만, 대형 회로에서는 누적될 수 있고, 급격한 곡선이나 작은 구조는 손실을 증가시킬 수 있습니다. 또한, 광섬유-칩 결합 손실도 최소화해야 합니다. 실리콘의 열 민감도(온도에 따라 굴절률이 변함)로 인해 많은 실리콘 포토닉 회로는 안정화 또는 보정이 필요합니다. 대역폭 한계는 변조기나 검출기에서 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 실리콘 링 변조기는 유한한 대역폭을 가지며 온도에 민감할 수 있고, 마하-젠더 변조기는 왜곡 없이 매우 높은 속도를 달성하려면 정교한 설계가 필요합니다. 웨이브가이드의 색 분산은 매우 넓은 파장 범위의 응용에서 한계가 될 수 있습니다(하지만 칩 내 짧은 거리에서는 보통 문제가 되지 않음). 또 하나 미묘한 점은, 전자-포토닉 통합 시 전자 회로를 함께 설계(예: 드라이버 증폭기, 검출기용 TIA 등)해야 한다는 것입니다. 이들 간의 인터페이스가 전체 성능을 제한할 수 있습니다(예: 변조기가 특정 전압 스윙을 필요로 하면, 이를 빠르게 공급할 수 있는 드라이버가 필요함). 따라서 시스템 엔지니어링이 복잡합니다. 또한 모든 응용 분야가 포토닉스를 정당화하지는 않습니다. 매우 짧고 저속의 링크에서는 전기 방식이 여전히 더 저렴하고 단순할 수 있습니다. 따라서 실리콘 포토닉스를 최대 이익을 위해 어디에 적용할지 아는 것 자체가 중요한 고려사항입니다.

요약하자면, 이러한 도전 과제들 중 어느 것도 결정적인 장애물은 아니지만, 이들이 모이면 실리콘 포토닉스가 아직 진화해야 할 부분이 많다는 것을 의미합니다. 포토닉스와 전자공학 분야의 많은 뛰어난 인재들이 더 나은 레이저 통합, 패키징 개선, 생산 규모 확장, 설계 역량 확대 등 이 문제들을 적극적으로 해결하고 있습니다. 최근 몇 년간의 진전도 고무적입니다. Bowers 교수의 말처럼, III-V 레이저의 CMOS 통합, 수율 및 광섬유 접합 개선, 비용 절감과 같은 과제들이 모두 “진전이… 매우 빠르게” 이루어지고 있습니다. nature.com 매년 개선이 이루어지고 있으며, 실험실 프로토타입과 대량 생산 간의 격차도 점점 좁혀지고 있습니다. 전자 IC가 오늘날의 규모에 이르기까지 수십 년간의 집중적인 노력이 필요했다는 점을 기억할 필요가 있습니다. 실리콘 포토닉스는 이에 비해 여정의 훨씬 초기 단계에 있지만, 빠르게 따라잡고 있습니다.

이 분야의 선도 기업 및 기관

실리콘 포토닉스는 글로벌 프로젝트로 자리 잡았으며, 많은 기업(스타트업부터 대형 기술 기업까지)과 연구 기관들이 이 분야를 이끌고 있습니다. 시장 조사에 따르면, 실리콘 포토닉스 시장(2025년 기준)의 주요 기업으로는 Cisco, Intel, IBM과 같은 업계 대기업뿐만 아니라 NeoPhotonics (Lumentum), Hamamatsu Photonics, STMicroelectronics와 같은 전문 기업들도 포함됩니다. expertmarketresearch.com. 주요 기여자들을 간략히 살펴보면 다음과 같습니다:

인텔 코퍼레이션(미국): 실리콘 포토닉스의 선구자인 인텔은 이 기술에 일찍이 대규모 투자를 했습니다. 2016년에 최초의 100G 실리콘 포토닉스 트랜시버 중 하나를 출시했으며, 그 이후로 수백만 대의 장치를 출하했습니다 optics.org. 인텔은 고속 광 트랜시버에 실리콘 포토닉스를 사용하고 있으며, 향후 서버 CPU 및 엣지 애플리케이션으로 확장하고 있습니다. 회사의 비전은 포토닉스를 통해 “미래 데이터 센터 대역폭 성장 지원”을 실현하는 것으로, 100G에서 400G 이상으로 확장하고, 프로세서와 광학을 통합하여 5G 및 자율주행차와 같은 애플리케이션에 적용하는 것입니다 expertmarketresearch.com, tanaka-preciousmetals.com. 인텔의 실리콘 포토닉스 부서는 최근 제조를 위해 Jabil과 파트너십을 맺었으며, 이는 대량 생산 단계로의 성숙을 의미합니다 optics.org. 인텔은 또한 스위치를 위한 코패키지드 옵틱스(co-packaged optics)를 연구하고 있으며, Ayar Labs와 같은 수많은 포토닉스 스타트업에 지분을 보유하고 있습니다.
시스코 시스템즈(미국): 네트워킹 대기업인 시스코는 인수(예: 2019년 Luxtera 인수)를 통해 실리콘 포토닉스에 진출했으며, 현재는 데이터 센터 및 통신용 실리콘 포토닉 광 트랜시버의 주요 공급업체입니다. 시스코는 100G/400G 플러그형 모듈에서 미래의 코패키지드 광 스위치에 이르기까지 다양한 제품에 포토닉 기술을 적용하고 있습니다. 시스코의 솔루션은 고밀도 및 전력 효율을 달성하는 자체 설계 포토닉 IC에서 이점을 얻고 있습니다. 실리콘 포토닉스를 활용함으로써 시스코는 고객에게 더 작은 폼팩터의 고속 인터커넥트를 제공합니다. 2025년, 시스코는 대량으로 실리콘 포토닉스를 출하하는 시장 선도업체 중 하나입니다 expertmarketresearch.com.
IBM 코퍼레이션(미국): IBM은 광 인터커넥트 연구에서 오랜 역사를 가지고 있습니다. 10년 이상의 연구개발 경험을 가진 IBM의 실리콘 포토닉스 팀은 보드 및 프로세서 레벨 인터커넥트를 위한 고속 광 링크 기술을 개발했습니다 expertmarketresearch.com. IBM의 연구는 실리콘 마이크로링 변조기, 파장 다중화, 패키징 분야에서 진전을 이루었습니다. IBM은 인텔이나 시스코처럼 트랜시버를 판매하지는 않지만, 종종 프로토타입 협업을 진행합니다(예: 2015년 IBM과 Mellanox가 서버용 광 인터커넥트를 시연). IBM의 중점은 포토닉스를 활용해 컴퓨팅 병목 현상을 해결하는 데 있습니다(예: POWER10 프로세서는 파트너십을 통해 칩 외부 신호 전송에 포토닉 링크를 사용). IBM은 표준화 및 오픈 리서치에도 기여하고 있으며, 그 연구는 종종 OFC, CLEO와 같은 학회에서 발표됩니다.
NeoPhotonics/Lumentum (미국): NeoPhotonics(2022년부터 Lumentum의 일부가 됨)는 통신 및 데이터 센터용 레이저와 광자 부품을 전문으로 한다. 이들은 초순도 가변형 레이저 및 고속 변조기를 개발했다. 특히, NeoPhotonics는 400G 파장당 통신을 위한 실리콘 포토닉스 코히런트 광 서브어셈블리(COSA)를 도입했으며, 800G 및 그 이상을 연구 중이었다 expertmarketresearch.com. Lumentum(주요 광학 산업 기업)의 일부로서 이 전문성은 차세대 코히런트 트랜시버 및 플러그형 모듈 개발에 기여하고 있다. Lumentum이 소유함으로써 이러한 실리콘 포토닉스 제품은 Lumentum의 기존 포토닉스 포트폴리오(예: 인듐 인산 변조기 및 증폭기 등)와 통합될 수 있다.
Hamamatsu Photonics (일본): 광전자 부품 분야의 선두주자인 Hamamatsu는 다양한 광자 장치(포토다이오드, 광증배관, 이미지 센서 등)를 제조한다. Hamamatsu는 실리콘 공정을 도입해 실리콘 포토다이오드 어레이 및 실리콘 기반 광 센서 등을 생산하고 있다 expertmarketresearch.com. 고속 트랜시버에 집중하진 않지만, Hamamatsu의 실리콘 포토닉스 기술은 센싱 및 과학 계측 분야에서 매우 중요하다. 이들은 실리콘 PIN 포토다이오드, APD, 광 센서 칩을 제공하며, 이는 광통신 수신기 및 LiDAR 검출기의 기반이 된다. 저잡음, 고감도 광자 기술에 대한 이들의 전문성은 실리콘 포토닉스의 디지털 통신 분야를 보완한다.
STMicroelectronics (스위스/유럽): STMicro는 자체 실리콘 포토닉스 역량을 개발한 대형 반도체 제조사다. STMicro의 주력 분야는 통합 이미징 및 센싱 솔루션으로, 예를 들어 광섬유 자이로스코프용 실리콘 포토닉 칩을 생산하고 유럽 컨소시엄에서 광학 인터커넥트 R&D에 참여했다. STMicro의 첨단 팹과 MEMS 역량은 다른 센서나 전자장치와 통합이 필요한 실리콘 포토닉스에 강점을 제공한다 expertmarketresearch.com. 프랑스, 이탈리아(주요 사업장 소재국) 등은 포토닉스 지원 정책을 펼치며, ST는 이에 자주 파트너로 참여한다. 또한 산업 및 자동차 시스템용 실리콘 포토닉스 부품을 일부 공급한다는 소문도 있다.
GlobalFoundries (미국) 및 TSMC (대만): 이들 파운드리(위탁 반도체 제조사)도 각각 실리콘 포토닉스 서비스를 구축했다. GlobalFoundries는 잘 알려진 45nm 실리콘 포토닉스 공정(GF 45CLO)을 보유하고 있으며, Ayar Labs와 같은 스타트업과 협력해 광 I/O 칩을 생산한다. TSMC는 더 비밀스럽지만, 주요 IT 기업들과 협력해 포토닉 집적 칩을 개발 중인 것으로 알려졌다(예: 일부 애플 관련 루머에서 TSMC가 포토닉 센서에 관여한다는 주장). 이들 대형 파운드리의 참여는 생산 확대에 매우 중요하며, 팹리스 기업도 포토닉 칩의 시제품 및 대량 생산을 쉽게 할 수 있게 된다. 실제로 이런 파운드리의 참여는 실리콘 포토닉스가 주류로 진입하고 있음을 보여준다.
Infinera(미국)와 Coherent/II-VI(미국): Infinera는 초기부터 포토닉 집적 회로(인듐 인산염 기반)를 주도한 통신 장비 제조업체입니다. 이후 일부 제품이나 InP PIC와의 코패키징을 위해 실리콘 포토닉스도 도입했습니다. Coherent(이전 Finisar를 인수하고 이후 Coherent로 사명 변경)는 광학 부품 분야에 깊이 관여하고 있습니다. 자체 InP 팹을 보유하고 있지만 데이터 센터용 실리콘 포토닉스 트랜시버도 개발합니다 optics.org. 이들 기업은 통신 등급의 신뢰성과 성능에 집중하여 실리콘 포토닉스가 캐리어급 요구사항(예: 장거리 코히런트 링크용 400ZR 모듈)을 충족하도록 이끌고 있습니다.
Ayar Labs, Lightmatter, 그리고 스타트업들: 혁신적인 스타트업의 물결이 실리콘 포토닉스를 새로운 영역으로 이끌고 있습니다. Ayar Labs(광 I/O, AI/HPC용)와 Lightmatter(광 컴퓨팅)에 대해 앞서 언급했습니다. 그 외에도 Lightelligence(또 다른 광 AI 칩 스타트업), Luminous Computing(AI를 위한 포토닉스와 전자 통합), Celestial AI(컴퓨트 클러스터용 광 네트워킹), OpenLight(집적 레이저를 갖춘 오픈 포토닉 플랫폼 제공 합작사), Rockley Photonics(헬스 센서에 집중, 현재 대부분 Celestial에 인수됨) 등이 있습니다. 이들 스타트업은 야심찬 접근법으로 주목받고 있습니다 – 예를 들어, Lightmatter의 3D 집적 포토닉 텐서 코어, Luminous의 풀스택 포토닉 컴퓨터 구축 시도 등이 있습니다. 이들은 종종 대기업과 협업하기도 합니다(예: HPE가 Ayar Labs와 협력해 슈퍼컴퓨터 인터커넥트 패브릭에 광 인터커넥트를 적용 nextplatform.com). 스타트업 생태계는 활발하며, 이들의 존재는 기존 업체들의 속도를 높였습니다. 업계 관찰자는 Ayar와 더불어 Lightmatter, Celestial AI 같은 기업들이 “실리콘 포토닉스가 컴퓨트 엔진과 인터커넥트 사이를 연결하는 다리가 되면서 어느 정도 진입 기회를 가질 것”이라고 언급했습니다. nextplatform.com
학계 및 연구 기관: 기관 측면에서, 주요 대학과 국립 연구소는 실리콘 포토닉스 발전에 중요한 역할을 하고 있습니다. 캘리포니아 대학교 샌타바버라(UCSB)의 John Bowers 교수 연구실은 하이브리드 실리콘 레이저와 실리콘 기반 양자점 레이저를 개척하며 선도적인 역할을 해왔습니다. MIT, 스탠포드, 컬럼비아(Prof. Michal Lipson 연구실), 칼텍 등도 미국 내 실리콘 포토닉스 연구의 중심지로, 새로운 변조기 물리학부터 포토닉 컴퓨팅 아키텍처까지 다양한 분야를 연구하고 있습니다. 유럽에서는 벨기에의 IMEC이 대표적인 실리콘 포토닉스 프로그램과 멀티 프로젝트 웨이퍼 서비스(iSiPP)를 운영하고 있으며, 사우샘프턴 대학교, TU 에인트호번, EPFL 등도 강력한 연구 그룹을 보유하고 있습니다. 미국의 AIM Photonics 연구소(위에서 언급됨)는 이러한 대학과 기업들을 모아 협업을 촉진하고, 국가적 파운드리 역량을 제공합니다. MIT 링컨 연구소와 IMEC 같은 정부 연구소는 국방 분야(예: LiDAR용 광위상 배열)에서 정교한 집적 포토닉스를 시연하기도 했습니다. 또한, 국제 협력과 컨퍼런스(Optical Fiber Conference, ISSCC, IEEE Photonics Society 회의 등)를 통해 이들 기관은 혁신적인 성과를 공유합니다. 이 분야는 건강한 학계-산업 파이프라인의 혜택을 받고 있습니다. 많은 스타트업 창업자와 업계 리더들이 이러한 연구실에서 훈련을 받았으며, 지속적인 학술 연구가(예: 새로운 소재 통합이나 앞서 언급한 양자 포토닉스 등) 한계를 계속 넓혀가고 있습니다.

이 모든 주체들 – 대형 기술 기업, 전문 부품 제조사, 야심찬 스타트업, 최첨단 연구소 – 이 풍부한 생태계를 이루며 실리콘 포토닉스의 발전을 함께 이끌고 있습니다. 이들 간의 경쟁과 협력이 혁신을 가속화하고 있습니다. 특히 지정학적 요소도 작용하고 있는데, 미국, 유럽, 중국 간에 누가 포토닉 기술을 선도할지에 대한 경쟁이 있다는 인식이 있습니다(csis.org 참조). 이는 통신 및 컴퓨팅 분야에서의 전략적 중요성 때문입니다. 이에 따라 공공 투자도 증가하고 있습니다(예: EU의 PhotonHub, 중국의 국가 포토닉스 이니셔티브 등). 일반 기술 애호가에게 중요한 점은, 전 세계적으로 수많은 인재와 막대한 자원이 미래의 칩이 빛으로 소통할 수 있도록 투입되고 있다는 사실입니다.

전문가 인사이트 및 인용문

실리콘 포토닉스의 부상 과정에서, 이 분야의 전문가들은 그 영향력을 맥락화하는 데 도움이 되는 다양한 견해를 제시해왔습니다. 다음은 주목할 만한 인사이트 몇 가지입니다:

서버에 광학이 도달하는 것에 대하여:

인텔의 광전자 담당 수석 이사 로버트 블럼(Robert Blum)은 데이터 센터에서 광학 기술이 점점 더 안쪽으로 침투하고 있음을 설명했습니다: “오늘날 데이터센터에 들어가면 100Gb/s 구리 케이블을 볼 수 있습니다… 4미터까지는 괜찮죠. 하지만 랙을 넘어서면 이미 모든 것이 광학을 사용하고 있습니다. 200 또는 400Gb/s로 증가하면 구리의 도달 거리는 훨씬 짧아지고, 광학이 서버까지 완전히 확장되는 추세를 보게 됩니다.” tanaka-preciousmetals.com 이 인용문은 현재 진행 중인 전환을 생생하게 보여줍니다 – 광학 기술이 네트워크의 중심에서 가장자리로 점차 구리를 대체하고 있습니다.

시장 성장과 AI에 대하여:

“AI의 부상은 고성능 트랜시버에 대한 전례 없는 수요를 촉진했습니다… 실리콘 포토닉스와 PIC(광집적회로)는 이 혁명의 최전선에 있습니다,”라고 IDTechX의 기술 분석가 샘 데일(Sam Dale)은 말하며, 실리콘 포토닉스가 “1.6Tbps 이상의 속도”를 제공할 수 있음을 언급합니다. 그의 보고서는 광집적회로 시장이 2035년까지 거의 10배 성장(540억 달러까지)할 수 있다고 예측하며, 이는 주로 AI 데이터센터의 수요에 의해 주도될 것이라고 합니다. optics.org 컴퓨팅의 미래에 대하여:

The Next Platform의 분석가들은 광학 I/O가 곧 HPC 시스템에 도입될 것으로 내다봅니다. 그들은 2026~2027년경에는 광학 인터페이스를 갖춘 주류 CPU/GPU를 보게 될 것이라고 언급하며, 그 이유는 “가까운 시일 내에 우리는 선택의 여지가 없기 때문”이라고 합니다. 그들의 인상적인 표현을 빌리자면, “구리의 시대는 끝났다.” nextplatform.com 이것은 업계에서 널리 퍼진 공통된 정서를 요약합니다: 전기적 연결만으로는 차세대 컴퓨팅 시대를 감당할 수 없으며, 포토닉스가 벽에 부딪히지 않기 위해 반드시 대체해야 한다는 것입니다.이 전문가들의 통찰은 실리콘 포토닉스의

가능성과 난관을 모두 강조합니다. 일관된 주제는 이렇습니다: 실리콘 포토닉스는 변혁적 기술로, 필요한 성능 도약을 가능하게 하지만, 동시에 빠르게 해결되고 있는 심각한 기술적 도전과제를 안고 있습니다. 전문가들은 낙관론(패러다임 전환, 필수적인 미래)과 현실론(통합 문제, 비용 및 확장성 우려)이 혼재되어 있음을 강조합니다. 이들의 시각은 일반 대중이 왜 그렇게 많은 기업과 연구자들이 실리콘 포토닉스에 열광하는지, 그리고 또 왜 이 기술이 상용화되기까지 수십 년이 걸렸는지 이해하는 데 도움을 줍니다. 최전선에 있는 이들의 목소리 – 베테랑 연구자든, 제품 관리자든 – 를 통해 이 분야가 물리학, 공학, 시장의 힘이 흥미롭게 교차하는 영역임을 알 수 있습니다.

최근 뉴스 및 주요 이정표

실리콘 포토닉스 분야는 매우 역동적입니다. 다음은 최근 뉴스 하이라이트와 주요 이정표(지난 1년 내외)로, 이 분야의 빠른 발전을 보여줍니다:
Celestial AI, Rockley Photonics의 IP 인수 (2024년 10월): AI용 Photonic Fabric™ 광 인터커넥트를 개발하는 스타트업 Celestial AI가 Rockley Photonics의 실리콘 포토닉스 특허 포트폴리오를 2,000만 달러에 인수했다고 발표했다 datacenterdynamics.com. Rockley는 첨단 실리콘 포토닉 센서를 개발했으며, 파산 위기 전에는 헬스 웨어러블로 사업을 전환한 바 있다. 이번 거래로 Celestial AI는 데이터센터 응용에 유용한 전기-광 변조기 및 광 스위칭 기술을 포함해 200개 이상의 특허를 확보하게 되었다 datacenterdynamics.com. 이는 포토닉스 IP가 AI/데이터센터 분야에서 얼마나 가치 있는지 보여주는 중요한 통합 사례다. Rockley의 혁신(예: 센싱용 광대역 레이저 등)이 Celestial의 광 인터커넥트 솔루션에 통합되어 새로운 생명을 얻게 될 수도 있다.
스타트업 대규모 투자 유치 – Ayar Labs & Lightmatter (2024년 하반기): 미국의 두 스타트업이 대규모 투자 라운드를 성사시켰다. Ayar Labs는 2024년 12월에 1억 5,500만 달러 규모의 시리즈 D 투자를 유치했으며, 반도체 업계 리더들(Nvidia, Intel, AMD 등)이 벤처캐피털과 함께 참여했다 nextplatform.com. 이 라운드로 Ayar의 기업가치는 10억 달러를 넘어섰으며, 이는 차세대 프로세서에서 전기 I/O를 대체할 인-패키지 광 I/O 기술에 대한 신뢰를 보여준다. 몇 주 전에는 Lightmatter가 4억 달러 규모의 시리즈 D(2024년 10월)를 유치해 총 투자액을 두 배로 늘렸고, 기업가치는 44억 달러에 달했다 nextplatform.com. Lightmatter는 AI 가속을 위한 포토닉 컴퓨팅 칩과 광 인터포저 기술을 개발해왔다. 이처럼 대규모 투자가 이루어진 것은 주목할 만하다 – 투자자(및 전략적 파트너)들이 이 스타트업들이 광 기술로 AI와 컴퓨팅의 핵심 문제를 해결할 수 있다고 믿는다는 의미다. 또한 이들 기업이 프로토타입에서 실제 제품으로 전환할 것으로 기대할 수 있다; 실제로 Lightmatter는 테스트 시스템을 배포 중이고, Ayar의 광 칩렛은 HPC 시스템에서 파일럿 사용이 예정되어 있다.
인텔, 트랜시버 사업을 Jabil에 아웃소싱(2023년 말): 흥미로운 전개로, 인텔은 2023년 말 대량 생산 실리콘 포토닉스 트랜시버 사업을 제조 파트너인 Jabil에 이전하기로 결정했습니다 optics.org. 인텔은 2016년 이후 800만 개 이상의 포토닉스 트랜시버 칩을 출하했으며 optics.org, 이는 데이터 센터의 100G/200G 연결에 사용됩니다. 생산을 Jabil(계약 제조사)에 넘김으로써, 인텔은 전략적 변화를 알렸습니다. 즉, 인텔은 포토닉스를 핵심 플랫폼(예: 패키지 내 광통신, 프로세서 내 포토닉스)과 통합하는 데 집중하고, 상품화된 트랜시버 시장은 파트너에게 맡기겠다는 것입니다. 이 움직임은 업계의 성숙을 반영하기도 합니다. 몇 년 전에는 첨단 기술이었던 100G 플러그형 트랜시버가 이제는 아웃소싱이 가능할 만큼 일상화된 것입니다. Jabil 역시 광학 제조 역량을 키우고 있으며, 이는 잠재적으로 다른 고객에게도 서비스를 제공할 수 있습니다. 인텔과 Jabil의 협력은 업계 발전의 주요 사례로 분석가들에 의해 강조되었습니다 optics.org, 이는 생태계 진화의 일부로 언급되었습니다.
InnoLight, 1.6 Tb/s 모듈 공개(2023년 말): 더 빠른 속도를 위한 경쟁에서, 중국의 광 트랜시버 기업인 InnoLight는 1.6테라비트/초 광 트랜시버 프로토타입을 달성했다고 발표했습니다 optics.org. 이는 아마도 실리콘 포토닉스 플랫폼에서 여러 파장(예: 16×100G 또는 8×200G 채널)을 사용하는 것으로 보입니다. 일부 경쟁사보다 1년 앞서 단일 모듈에서 1.6 Tb/s를 달성한 것은 중국의 실리콘 포토닉스 기술력이 성장하고 있음을 보여줍니다. InnoLight의 모듈은 랙 상단 스위치 업링크나 AI 시스템 연결에 사용될 수 있습니다. 또한 3.2 Tb/s 모듈(예를 들어 400G씩 8파장 사용)이 머지않아 등장할 것임을 시사합니다. 실제로 IDTechX는 2026년까지 3.2 Tb/s 모듈을 예측했습니다 optics.org. 이는 주목받는 기록으로, 치열한 글로벌 경쟁을 보여줍니다. Coherent(미국) 등도 1.6T 및 3.2T 설계를 개발 중입니다 optics.org.
PsiQuantum의 광자 양자 칩 진전 상황(2024): 양자 분야에서, PsiQuantum(비밀리에 운영되지만 GlobalFoundries와 협력하는 것으로 알려짐)은 손실 허용 광자 양자 컴퓨터로 가는 경로를 설명하는 연구를 발표했고, 그들의 광자 양자 아키텍처를 위한 “Omega”라는 칩을 발표했습니다 thequantuminsider.com. 아직 상용 제품은 아니지만, 이는 실리콘 포토닉스를 핵심으로 하는 광자 양자 컴퓨팅 하드웨어가 발전하고 있음을 보여줍니다. PsiQuantum의 접근법은 수천 개의 단일 광자 소스와 검출기를 통합해야 합니다. 여기서 주목할 점은 제조 가능성의 검증입니다: 2022년 Nature 논문에서는 단일 실리콘 포토닉 칩에서 주요 부품(소스, 필터, 검출기)이 구현되어 확장 가능함을 보여주었습니다 nature.com. 이는 그들이 2020년대 중반에서 2030년대 초 사이에 백만 큐비트 광학 양자 컴퓨터(장기 목표) 프로토타입의 이정표를 향해 순조롭게 나아가고 있음을 시사합니다. 이러한 개발은 틈새 시장이지만, 고성능 컴퓨팅을 재정의할 수 있기 때문에 면밀히 주시되고 있습니다.
리튬 나이오베이트 포토닉스 스타트업 투자 유치(2023): 앞서 언급했듯, LiNbO₃를 실리콘 포토닉스와 통합하는 데 주력하는 두 스타트업, HyperLight(미국)와 Lightium(스위스)이 2023년에 총 4,400만 달러를 유치했습니다 optics.org. 이 투자 소식은 실리콘 포토닉스의 성능 한계를 극복하기 위해 새로운 소재를 추가하는 트렌드를 보여준다는 점에서 주목받았습니다. 이 회사들은 더 높은 선형성과 넓은 파장 범위(가시광선부터 중적외선까지)에서 매우 낮은 손실로 동작하는 변조기를 내세우고 있습니다 optics.org. 즉각적인 응용 분야는 통신용 초고속 변조기나 양자 및 RF 포토닉스용 특수 장치가 될 수 있습니다. 더 넓게 보면, 투자 커뮤니티가 소재 혁신에도 자금을 지원하고 있다는 점(더 눈에 띄는 트랜시버 스타트업뿐만 아니라)입니다. 이는 재료 과학의 발전(예: 절연체 위 TFLN)이 이 분야에서 빠르게 스타트업과 제품으로 전환될 수 있음을 보여줍니다.
표준 및 컨소시엄 업데이트(2024–25): 표준화 측면에서 여러 움직임이 있었습니다. Continuous-Wave WDM MSA(공패키지 광학용 표준 광원 모듈을 정의하는 컨소시엄)은 여러 포토닉 칩에 공급할 수 있는 공통 레이저 소스에 대한 초기 사양을 발표했습니다. 이는 공패키지 광학의 다중 벤더 호환성을 보장하는 데 중요합니다. 또한, UCIe 컨소시엄(칩렛 인터커넥트용)은 광 칩렛 링크의 표준화 방안을 논의하기 위해 광 작업 그룹을 구성했습니다. 한편, COBO(온보드 광학 컨소시엄)와 CPO Alliance와 같은 조직은 (예: OFC 2024에서) 공패키지 광학의 모범 사례를 논의하는 정상 회담을 개최해 왔습니다 ansys.com. 이 모든 것은 업계가 인터페이스의 조화 필요성을 인식하고, 도입을 늦출 수 있는 파편화를 피하려 한다는 점을 보여줍니다. IEEE의 최근 뉴스에서도 1.6T 이더넷 표준 및 실리콘 포토닉 기술 사용을 전제로 한 관련 광학 인터페이스 표준의 진전이 있음을 알렸습니다.
제품 출시: 제품 측면에서는 실제 하드웨어가 출시되고 있습니다:
800G 플러그형 모듈: 여러 벤더(Intel, Marvell/Inphi 등)가 2024년에 실리콘 포토닉스를 적용한 800G QSFP-DD 및 OSFP 모듈 샘플링을 시작했습니다. 이 모듈들은 2025년 스위치 및 네트워크에 도입될 가능성이 높습니다.
CPO 데모 키트: Ranovus와 IBM과 같은 기업들이 공패키지 광학 개발 키트를 시연했습니다 – 상용 CPO 제품의 전 단계입니다. 예를 들어, IBM의 공패키지 스위치 연구 프로토타입이 실제로 동작하는 모습이 공개되었고, Ranovus는 8×100G 파장 CPO 모듈을 보유하고 있습니다.
실리콘 포토닉 라이다 제품: Innovusion(중국)과 Voyant Photonics(미국)는 실리콘 포토닉 라이다에서의 진전을 발표했습니다. Innovusion의 최신 차량용 라이다는 일부 실리콘 포토닉 부품을 사용해 경쟁력 있는 비용으로 FMCW를 구현합니다. 콜롬비아 대학 연구에서 출발한 스타트업 Voyant는 드론 및 로봇용으로 실리콘 포토닉스 기반의 초소형 솔리드스테이트 라이다 모듈을 실제로 판매하고 있습니다.
광 I/O 칩렛: 2025년 중반까지 Ayar Labs는 TeraPHY 광 I/O 칩렛과 SuperNova 레이저 소스를 초기 고객 테스트에 투입할 계획이며, HPC 시스템에 8Tbps 광 링크를 제공합니다. 일정대로 진행된다면, 이는 2025~26년경(아마도 정부 연구소나 파일럿 슈퍼컴퓨터에서) 컴퓨터 시스템에 광 I/O가 최초로 도입되는 사례가 될 수 있습니다.

최근 뉴스의 연이은 발표는 이 분야가 여러 측면에서 빠르게 발전하고 있음을 보여줍니다: 속도 혁신(1.6T 광학)부터 주요 전략적 변화(Intel 아웃소싱, 대규모 투자 유치), 그리고 최초의 상용 도입 사례(AI용 광 엔진)까지. 이 모든 발전은 실리콘 포토닉스가 유망한 기술에서 제품과 산업에 점점 더 큰 영향을 미치는 상업적 현실로 전환되고 있음을 보여주기에 매우 흥미로운 시기입니다.

일반 대중에게 이 모든 뉴스에서 얻을 수 있는 핵심 메시지는 실리콘 포토닉스가 먼 미래의 약속이 아니라 지금 현실이 되고 있다는 것입니다. 기업들은 여기에 막대한 자금과 자원을 투입하고 있으며, 실제 제품이 출시되고 있고, 분기마다 이전 기록을 깨는 새로운 이정표가 등장하고 있습니다. 이 분야는 매우 빠르게 움직이고 있으며, 기술에 밝은 독자들조차 “광 칩렛”이나 “1.6테라비트 모듈”과 같은 것들이 얼마나 빨리 등장했는지에 놀랄 수 있습니다. 또한 이 뉴스는 미국, 유럽, 아시아 등 전 세계적으로 치열한 경쟁이 벌어지고 있음을 보여주며, 딥테크 스타트업부터 최대 규모의 반도체 기업, 네트워크 제공업체에 이르기까지 모든 분야를 아우르고 있음을 강조합니다.

미래 전망 및 예측

앞을 내다보면, 실리콘 포토닉스의 미래는 매우 유망해 보이며, 향후 10년 동안 컴퓨팅과 통신을 재정의할 잠재력을 가지고 있습니다. 미래에 대해 다음과 같은 예측과 기대를 할 수 있습니다:

컴퓨팅 분야의 광범위한 도입: 2020년대 후반에는 실리콘 포토닉스가 고급 컴퓨팅 시스템의 표준 기능이 될 것으로 기대할 수 있습니다. 언급했듯이, 2026~2027년에는 광 I/O가 통합된 최초의 CPU, GPU, 또는 AI 가속기가 등장할 것으로 보입니다 nextplatform.com. 처음에는 이 기술이 특수 시장(슈퍼컴퓨터, 고빈도 트레이딩 시스템, 첨단 AI 클러스터 등)에서 사용될 수 있지만, 이는 더 넓은 도입의 길을 열 것입니다. 기술이 입증되고 생산량이 증가하면, 광 I/O는 2030년대에 더 일반적인 서버와 기기로 확산될 수 있습니다. 각 CPU에 광섬유 포트가 패키지에 직접 탑재되어 광 상단 랙 스위치에 연결되는 랙 서버를 상상해 보십시오. 이것이 보편화될 수 있습니다. 메모리 병목 현상도 광 링크로 해결될 수 있습니다. 예를 들어, 메모리 모듈을 프로세서에 광학적으로 연결하여 더 먼 거리에서도 더 높은 대역폭을 제공할 수 있습니다(일부 연구자들은 대규모 공유 메모리 풀을 위한 “광 메모리 분리”에 대해 이야기합니다). 요약하면, 미래의 데이터 센터(그리고 확장하면 미래의 클라우드 서비스)는 실리콘 포토닉스가 가능하게 하는 모든 수준의 광 인터커넥트 패브릭 위에 구축될 가능성이 높습니다.
모두를 위한 테라비트 네트워킹: 네트워크 링크의 용량은 계속해서 비약적으로 증가할 것입니다. 우리는 1.6 Tb/s, 3.2 Tb/s, 심지어 6.4 Tb/s 광 트랜시버가 2030년대 초 단일 모듈에서 구현되는 시대를 이야기하고 있습니다. 이러한 속도는 상상을 초월합니다. 예를 들어 3.2 Tb/s 링크는 4K 영화를 밀리초의 일부만에 전송할 수 있습니다. 이러한 속도는 데이터 센터 백본과 통신망에서 사용되겠지만, 간접적으로는 소비자들에게도 혜택이 돌아갑니다(더 빠른 인터넷, 더 강력한 클라우드 서비스 등). 2035년까지 분석가들은 포토닉 집적회로 시장이 AI와 데이터 센터용 이 트랜시버를 기반으로 500억 달러 이상에 이를 것으로 전망합니다 optics.org. 우리는 800G와 1.6T가 새로운 100G가 되는 모습을 볼 수도 있습니다. 즉, 이들이 네트워크의 주력 링크가 된다는 의미입니다. 그리고 사용량이 늘어나면 비트당 비용이 떨어져 초고속 연결이 더 저렴하고 보편화될 것입니다. 심지어 소비자 기기(예: 매우 높은 대역폭이 필요한 VR 헤드셋이 PC나 콘솔에 연결될 때)도 광 USB나 광 Thunderbolt 케이블을 사용해 수십~수백 기가비트를 지연이나 손실 없이 전송할 수 있을 가능성이 있습니다.
통신의 혁신: 통신 분야에서는 실리콘 포토닉스가 전광 네트워크(all-optical networks) 실현을 도울 것이며, 훨씬 더 높은 효율을 제공할 것입니다. 집적 포토닉스를 활용한 코히런트 광통신은 (고급 변조 방식과 아마도 집적 트랜시버 DSP를 통해) 파장당 1 Tb/s를 넘어 확장될 가능성이 높습니다. 이는 멀티 테라비트 광 채널을 경제적으로 만들어, 필요한 레이저/광섬유의 수를 줄일 수 있습니다. 실리콘 포토닉스는 또한 재구성 가능한 광 애드드롭 멀티플렉서(ROADM) 및 기타 네트워크 장비를 더 작고 전력 효율적으로 만들어, 결과적으로 더 높은 용량의 5G/6G 네트워크와 더 나은 FTTH(가정용 광섬유) 인프라 구축을 촉진합니다. 주목할 만한 구체적 분야는 케이블 TV/광접속용 집적 레이저입니다. 실리콘 기반의 저렴한 튜너블 레이저가 각 가정에 100G 대칭 광 링크를 제공할 수 있게 할 수도 있습니다. 광 기능을 통합함으로써 통신 사업자는 중앙국과 헤드엔드를 단순화할 수 있습니다. 그 결과, 실리콘 포토닉 칩이 뒷받침하는 훨씬 더 빠르고 신뢰성 높은 인터넷 서비스가 잠재적으로 더 낮은 비용에 제공될 것입니다.
AI 컴퓨팅과 광 엔진: AI 분야에서는 Lightmatter, Lightelligence와 같은 기업이 성공한다면, 우리는 데이터센터에서 최초의 광 보조프로세서(optical coprocessors)를 목격할 수 있을 것입니다. 이들은 빛을 이용해 행렬 곱셈이나 그래프 분석을 가속화하여, 와트당 성능에서 비약적인 도약을 제공할 수 있습니다. 5년 이내에 일부 데이터센터에는 GPU와 함께 광 AI 가속기(optical AI accelerators) 랙이 배치되어, 초고속 추론 등 특화된 작업을 매우 빠르게 처리할 수 있을 것으로 보입니다. 완전한 광 컴퓨터가 다소 제한적이더라도, 하이브리드 전자-광 방식(로직 제어는 전자, 대용량 데이터 이동 및 곱셈-누적 연산은 광)이 AI 성능 확장의 핵심 전략이 될 수 있습니다. 발열과 전력 소모를 줄임으로써, 포토닉스는 AI 모델이 수조 개의 파라미터로 확장될 때도 AI 학습을 가능하게 할 수 있습니다. 요약하자면, 실리콘 포토닉스는 전력망을 마비시키지 않고 AI 모델 크기/학습 데이터가 1000배 더 커지는 것을 가능하게 하는 비밀 소스가 될 수 있습니다.
소비자 기술에 미치는 영향: 현재 실리콘 포토닉스의 대부분은 대형 시스템(데이터 센터, 네트워크)에 사용되고 있지만, 결국에는 소비자 기기로 점차 확산될 것입니다. 한 가지 분명한 후보는 AR/VR 헤드셋입니다(막대한 데이터를 작은 디스플레이와 카메라에 전달해야 하므로 광학 인터커넥트가 도움이 될 수 있음). 또 다른 예는 소비자용 LiDAR 또는 깊이 센서입니다. 미래의 스마트폰이나 웨어러블 기기에는 건강 모니터링(예: Rockley Photonics가 목표로 했던 것처럼)이나 환경의 3D 스캐닝을 위한 초소형 실리콘 포토닉 센서가 탑재될 수 있습니다. 인텔의 Mobileye는 이미 자사의 실리콘 포토닉 LiDAR가 자동차에 탑재될 것임을 밝혔으므로, 2020년대 후반에는 새 자동차에 포토닉 칩이 통합되어 자율주행 센서를 조용히 제어할 수 있습니다 tanaka-preciousmetals.com. 시간이 지나 비용이 낮아지면, 이러한 센서가 일상 기기에도 더 많이 등장할 수 있습니다(예를 들어, 실리콘 포토닉 센서를 이용해 손목에서 광학 분광법으로 비침습적으로 포도당이나 혈액 분석을 모니터링하는 스마트워치 – 실제로 여러 기업이 이 개념을 연구 중임). 고급 오디오/비주얼 분야에서도 광학 칩이 카메라를 개선하거나(LiDAR를 이용한 초점 조정 또는 사진의 3D 매핑) 홀로그래픽 디스플레이를 구현할 수 있습니다. 이는 미세한 수준에서 빛을 변조함으로써 가능하며(약간은 추측이지만, 실리콘 기반 공간 광 변조기가 발전함에 따라 불가능하지는 않음), 10년 후에는 소비자들이 오늘날 MEMS 센서를 무의식적으로 사용하는 것처럼 실리콘 포토닉스를 사용하는 기기를 아무렇지 않게 쓸 수도 있습니다.
양자 영역의 포토닉스: 더 먼 미래를 내다본다면, 양자 포토닉 기술이 성숙할 수 있습니다. PsiQuantum 등에서 성공한다면, 특정 작업에서 기존 슈퍼컴퓨터를 능가하는 포토닉 양자 컴퓨터가 등장할 수 있습니다 – 칩 위에서 수백만 개의 얽힌 광자가 처리되는 식입니다. 이는 엄청난 성과가 될 것이며, 최초의 전자식 컴퓨터만큼이나 변혁적일 수 있습니다. 이는 2030년 이후의 일일 수 있지만, 그 전까지도 양자 시뮬레이터나 네트워크 기반 양자 통신 시스템이 실리콘 포토닉스를 이용해 등장할 수 있습니다. 예를 들어, 안전한 양자 통신 링크(QKD 네트워크)가 데이터 센터에 표준화된 실리콘 포토닉 QKD 송신기를 사용해 도시 전체 네트워크에 배치될 수 있습니다. 또한 양자 센서(예: 양자 수준의 민감도를 가진 광학 자이로스코프 등)가 칩 위에 탑재되어 내비게이션이나 과학 분야에 활용될 가능성도 있습니다.
지속적인 연구와 새로운 지평: 실리콘 포토닉스 분야 자체도 계속 진화할 것입니다. 연구자들은 이미 3D 집적을 탐구 중입니다 – 포토닉 칩과 전자 칩을 적층해 더욱 밀접하게 결합하는 방식(일부는 포토닉 인터포저를 CPU 아래에 배치하기 위한 마이크로 범프나 본딩 기술을 연구 중임). 또한 칩 내 광 네트워킹(ONoC)에 대한 논의도 있습니다. 이는 전기적 네트워크 온 칩 대신 또는 추가로 프로세서가 코어 간 통신에 빛을 사용하는 방식입니다. 언젠가 다중 코어 CPU가 내부 광 네트워크를 사용한다면 칩 내 대역폭 병목 현상을 해소할 수 있습니다(이것은 좀 더 먼 미래의 일이지만, 개념적으로는 실험실에서 입증됨). 나노포토닉스도 중요한 역할을 할 수 있습니다: 플라즈모닉 또는 나노스케일 광학 부품이 매우 빠른 속도나 극도로 작은 크기로 동작하여, 특정 작업(예: 초소형 변조기)에 실리콘 포토닉스와 통합될 수 있습니다. 그리고 언젠가 누군가가 어떤 기발한 소재 트릭을 통해 실리콘 레이저를 실현한다면 – 이는 포토닉 통합을 정말로 단순화할 것입니다.
시장 및 산업 전망: 경제적으로, 우리는 아마도 실리콘 포토닉스 시장의 호황을 보게 될 것입니다. IDTechX에 따르면, 2035년까지 약 540억 달러의 시장 가치가 예상됩니다 optics.org. 특히 데이터 통신이 시장의 대부분을 차지하겠지만, 그 중 약 110억 달러는 비데이터 응용 분야(통신, 라이다, 센서, 양자 등)에서 나올 수 있습니다 optics.org. 이는 이 기술의 이점이 여러 분야에 걸쳐 확산될 것임을 의미합니다. 또한, 일부 대형 산업 재편 또는 파트너십도 볼 수 있을 것입니다: 예를 들어, 한 기술 대기업이 포토닉스 유니콘 스타트업 중 하나를 인수할 수도 있습니다(예를 들어, Nvidia가 광컴퓨팅 선점을 위해 Ayar Labs나 Lightmatter를 인수하는 것을 상상해보세요). 판이 커질수록 이런 일도 충분히 가능합니다. 더불어, 국제 경쟁도 심화될 수 있습니다 – 정부가 주도권 확보를 위해 대규모 투자를 단행할 수도 있습니다(반도체 산업이 전략적으로 여겨지는 것과 유사하게). 실리콘 포토닉스는 국가 기술 전략의 핵심 요소가 될 수 있으며, 이는 R&D 자금과 인프라 투자를 더욱 촉진할 수 있습니다.

더 넓은 관점에서 보면, 실리콘 포토닉스가 가져올 미래는 컴퓨팅과 통신의 경계가 흐려지는 세상입니다. 거리는 덜 제한적이 되어 – 데이터가 칩 내부든 도시 간이든 광섬유를 통해 똑같이 쉽게 이동할 수 있습니다. 이는 자원이 어디에 있든 물리적 위치가 중요하지 않은 분산 컴퓨팅 아키텍처를 가능하게 할 수 있습니다. 광 연결로 인해 지연은 낮고 대역폭은 높아지기 때문입니다. 컴퓨팅, 스토리지, 메모리가 레고 블록처럼 광으로 연결된 진정한 분산형 데이터센터도 볼 수 있을 것입니다. 포토닉스의 에너지 효율성 향상은 디지털 인프라의 에너지 수요가 커지는 상황에서 더 친환경적인 ICT에도 기여할 수 있습니다.

업계 베테랑의 말을 빌리자면, “실리콘 포토닉스의 대규모 확장 여정은 도전만큼이나 흥미롭다.” laserfocusworld.com 앞으로 몇 년간 분명히 장애물이 있겠지만, 이를 극복하려는 학계와 산업계의 집단적 의지가 있습니다. 소재 과학, 반도체 공학, 포토닉스를 결합한 협력과 혁신을 통해 전문가들은 이러한 도전을 극복하고 실리콘 포토닉스의 잠재력을 완전히 실현할 수 있을 것이라고 확신합니다 laserfocusworld.com. 미래 전망은 이 기술이 (기기를 연결하거나 특수 시스템을 보조하는 주변부에서) 컴퓨팅과 연결성의 핵심으로 이동할 것이라는 점입니다. 우리는 본질적으로 새로운 시대의 여명을 목격하고 있습니다 – 이제 정보의 생명줄을 전자뿐만 아니라 빛이 기기와 네트워크를 통해 전달하는 시대입니다. 그리고 이것이야말로 앞으로 10년, 그 이후까지 펼쳐질 진정한 혁명적 변화입니다.

출처: 실리콘 포토닉스 정의 및 장점 ansys.com ansys.com; 센싱, LiDAR, 양자 분야의 응용 ansys.com ansys.com; 데이터 센터 및 AI 동향 laserfocusworld.com, optics.org; 전문가 인용 및 인사이트 laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; 업계 리더 expertmarketresearch.com; 최신 뉴스 및 투자 datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; 미래 전망 optics.org

The Future of Silicon Photonics: Transforming Data Centers

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실리콘 포토닉스의 패러다임 전환에 대하여: “저는 실리콘 포토닉스를 단순한 점진적 개선이 아니라 — 패러다임의 전환이라고 자주 설명해왔습니다,”라고 Soitec의 임원인 René Jonker는 말하며, 구리 인터커넥트가 한계에 다다른 것과 달리 광학 링크는 급증하는 데이터 수요를 지속적으로 처리할 수 있는 방법임을 강조합니다. 비용 절감과 대량 생산을 위한 과제가 남아 있지만, 그 이점 — “더 높은 대역폭, 지연 시간 감소, 낮은 전력 소비” — 덕분에 실리콘 포토닉스는 “미래 인프라의 필수적인 부분”이 되고 있습니다. laserfocusworld.com
데이터 센터 전력 및 광학에 대하여: 2025년 Laser Focus World의 논평에서는 데이터 센터의 긴급성을 강조했습니다. 현재 추세가 계속된다면, 10년 말까지 데이터 센터가 미국 전력의 8%를 소비할 수 있는데, 이는 “기존 전기 인터커넥트로는 지속 불가능하다”고 했습니다. 저자는 “실리콘 포토닉스가 가능하게 하는 광학 인터커넥트만이 유일하게 확장 가능한 길”이라고 결론지었습니다. laserfocusworld.com 즉, 에너지와 대역폭 위기를 피하려면 광학 링크로의 전환은 선택이 아니라 필수입니다.
통합 과제에 대하여: 포토닉스 분야의 거장인 John Bowers 교수(UCSB)는 가장 어려운 과제에 대해 이렇게 언급했습니다: “가장 큰 도전은 III–V 소재를 실리콘 CMOS에 통합하는 것입니다… 높은 수율, 높은 신뢰성, 비용 절감, 광섬유 부착 등 남은 문제가 있습니다. 전자와 포토닉스를 함께 패키징하는 것도 도전입니다… 하지만 진전은 매우 빠릅니다.” nature.com 이는 레이저(III–V 소재) 통합과 완벽한 수율 달성이 어렵지만, 인텔과 같은 업계 선도 기업들이 꾸준히 진전을 이루고 있으며 해결책이 곧 나올 것임을 시사합니다.
실리콘에서의 빛 방출에 대하여: 같은 인터뷰에서 Bowers 교수는 레이저에 실리콘 이외의 소재가 필요한 이유를 생생하게 설명했습니다: “실리콘은 빛 방출체로서 매우 나쁩니다. 내부 양자 효율이 백만 분의 1 정도이고, 직접 밴드갭 III–V 소재의 효율은 사실상 100%입니다. 처음부터 직접 밴드갭 반도체가 필요하다는 걸 알았습니다…” nature.com. 이 솔직한 평가는 그와 그의 팀이 하이브리드 레이저(인듐 인산화물과 실리콘 결합)를 일찍부터 연구한 이유를 설명해줍니다. 이 접근법은 2007년 인텔의 하이브리드 실리콘 레이저 개발 등으로 결실을 맺었습니다.
인텔의 광전자 담당 수석 이사 로버트 블럼(Robert Blum)은 데이터 센터에서 광학 기술이 점점 더 안쪽으로 침투하고 있음을 설명했습니다: “오늘날 데이터센터에 들어가면 100Gb/s 구리 케이블을 볼 수 있습니다… 4미터까지는 괜찮죠. 하지만 랙을 넘어서면 이미 모든 것이 광학을 사용하고 있습니다. 200 또는 400Gb/s로 증가하면 구리의 도달 거리는 훨씬 짧아지고, 광학이 서버까지 완전히 확장되는 추세를 보게 됩니다.” tanaka-preciousmetals.com 이 인용문은 현재 진행 중인 전환을 생생하게 보여줍니다 – 광학 기술이 네트워크의 중심에서 가장자리로 점차 구리를 대체하고 있습니다.
“AI의 부상은 고성능 트랜시버에 대한 전례 없는 수요를 촉진했습니다… 실리콘 포토닉스와 PIC(광집적회로)는 이 혁명의 최전선에 있습니다,”라고 IDTechX의 기술 분석가 샘 데일(Sam Dale)은 말하며, 실리콘 포토닉스가 “1.6Tbps 이상의 속도”를 제공할 수 있음을 언급합니다. 그의 보고서는 광집적회로 시장이 2035년까지 거의 10배 성장(540억 달러까지)할 수 있다고 예측하며, 이는 주로 AI 데이터센터의 수요에 의해 주도될 것이라고 합니다. optics.org 컴퓨팅의 미래에 대하여:
The Next Platform의 분석가들은 광학 I/O가 곧 HPC 시스템에 도입될 것으로 내다봅니다. 그들은 2026~2027년경에는 광학 인터페이스를 갖춘 주류 CPU/GPU를 보게 될 것이라고 언급하며, 그 이유는 “가까운 시일 내에 우리는 선택의 여지가 없기 때문”이라고 합니다. 그들의 인상적인 표현을 빌리자면, “구리의 시대는 끝났다.” nextplatform.com 이것은 업계에서 널리 퍼진 공통된 정서를 요약합니다: 전기적 연결만으로는 차세대 컴퓨팅 시대를 감당할 수 없으며, 포토닉스가 벽에 부딪히지 않기 위해 반드시 대체해야 한다는 것입니다.이 전문가들의 통찰은 실리콘 포토닉스의
가능성과 난관을 모두 강조합니다. 일관된 주제는 이렇습니다: 실리콘 포토닉스는 변혁적 기술로, 필요한 성능 도약을 가능하게 하지만, 동시에 빠르게 해결되고 있는 심각한 기술적 도전과제를 안고 있습니다. 전문가들은 낙관론(패러다임 전환, 필수적인 미래)과 현실론(통합 문제, 비용 및 확장성 우려)이 혼재되어 있음을 강조합니다. 이들의 시각은 일반 대중이 왜 그렇게 많은 기업과 연구자들이 실리콘 포토닉스에 열광하는지, 그리고 또 왜 이 기술이 상용화되기까지 수십 년이 걸렸는지 이해하는 데 도움을 줍니다. 최전선에 있는 이들의 목소리 – 베테랑 연구자든, 제품 관리자든 – 를 통해 이 분야가 물리학, 공학, 시장의 힘이 흥미롭게 교차하는 영역임을 알 수 있습니다.
최근 뉴스 및 주요 이정표
실리콘 포토닉스 분야는 매우 역동적입니다. 다음은 최근 뉴스 하이라이트와 주요 이정표(지난 1년 내외)로, 이 분야의 빠른 발전을 보여줍니다:
Celestial AI, Rockley Photonics의 IP 인수 (2024년 10월): AI용 Photonic Fabric™ 광 인터커넥트를 개발하는 스타트업 Celestial AI가 Rockley Photonics의 실리콘 포토닉스 특허 포트폴리오를 2,000만 달러에 인수했다고 발표했다 datacenterdynamics.com. Rockley는 첨단 실리콘 포토닉 센서를 개발했으며, 파산 위기 전에는 헬스 웨어러블로 사업을 전환한 바 있다. 이번 거래로 Celestial AI는 데이터센터 응용에 유용한 전기-광 변조기 및 광 스위칭 기술을 포함해 200개 이상의 특허를 확보하게 되었다 datacenterdynamics.com. 이는 포토닉스 IP가 AI/데이터센터 분야에서 얼마나 가치 있는지 보여주는 중요한 통합 사례다. Rockley의 혁신(예: 센싱용 광대역 레이저 등)이 Celestial의 광 인터커넥트 솔루션에 통합되어 새로운 생명을 얻게 될 수도 있다.
스타트업 대규모 투자 유치 – Ayar Labs & Lightmatter (2024년 하반기): 미국의 두 스타트업이 대규모 투자 라운드를 성사시켰다. Ayar Labs는 2024년 12월에 1억 5,500만 달러 규모의 시리즈 D 투자를 유치했으며, 반도체 업계 리더들(Nvidia, Intel, AMD 등)이 벤처캐피털과 함께 참여했다 nextplatform.com. 이 라운드로 Ayar의 기업가치는 10억 달러를 넘어섰으며, 이는 차세대 프로세서에서 전기 I/O를 대체할 인-패키지 광 I/O 기술에 대한 신뢰를 보여준다. 몇 주 전에는 Lightmatter가 4억 달러 규모의 시리즈 D(2024년 10월)를 유치해 총 투자액을 두 배로 늘렸고, 기업가치는 44억 달러에 달했다 nextplatform.com. Lightmatter는 AI 가속을 위한 포토닉 컴퓨팅 칩과 광 인터포저 기술을 개발해왔다. 이처럼 대규모 투자가 이루어진 것은 주목할 만하다 – 투자자(및 전략적 파트너)들이 이 스타트업들이 광 기술로 AI와 컴퓨팅의 핵심 문제를 해결할 수 있다고 믿는다는 의미다. 또한 이들 기업이 프로토타입에서 실제 제품으로 전환할 것으로 기대할 수 있다; 실제로 Lightmatter는 테스트 시스템을 배포 중이고, Ayar의 광 칩렛은 HPC 시스템에서 파일럿 사용이 예정되어 있다.
인텔, 트랜시버 사업을 Jabil에 아웃소싱(2023년 말): 흥미로운 전개로, 인텔은 2023년 말 대량 생산 실리콘 포토닉스 트랜시버 사업을 제조 파트너인 Jabil에 이전하기로 결정했습니다 optics.org. 인텔은 2016년 이후 800만 개 이상의 포토닉스 트랜시버 칩을 출하했으며 optics.org, 이는 데이터 센터의 100G/200G 연결에 사용됩니다. 생산을 Jabil(계약 제조사)에 넘김으로써, 인텔은 전략적 변화를 알렸습니다. 즉, 인텔은 포토닉스를 핵심 플랫폼(예: 패키지 내 광통신, 프로세서 내 포토닉스)과 통합하는 데 집중하고, 상품화된 트랜시버 시장은 파트너에게 맡기겠다는 것입니다. 이 움직임은 업계의 성숙을 반영하기도 합니다. 몇 년 전에는 첨단 기술이었던 100G 플러그형 트랜시버가 이제는 아웃소싱이 가능할 만큼 일상화된 것입니다. Jabil 역시 광학 제조 역량을 키우고 있으며, 이는 잠재적으로 다른 고객에게도 서비스를 제공할 수 있습니다. 인텔과 Jabil의 협력은 업계 발전의 주요 사례로 분석가들에 의해 강조되었습니다 optics.org, 이는 생태계 진화의 일부로 언급되었습니다.
InnoLight, 1.6 Tb/s 모듈 공개(2023년 말): 더 빠른 속도를 위한 경쟁에서, 중국의 광 트랜시버 기업인 InnoLight는 1.6테라비트/초 광 트랜시버 프로토타입을 달성했다고 발표했습니다 optics.org. 이는 아마도 실리콘 포토닉스 플랫폼에서 여러 파장(예: 16×100G 또는 8×200G 채널)을 사용하는 것으로 보입니다. 일부 경쟁사보다 1년 앞서 단일 모듈에서 1.6 Tb/s를 달성한 것은 중국의 실리콘 포토닉스 기술력이 성장하고 있음을 보여줍니다. InnoLight의 모듈은 랙 상단 스위치 업링크나 AI 시스템 연결에 사용될 수 있습니다. 또한 3.2 Tb/s 모듈(예를 들어 400G씩 8파장 사용)이 머지않아 등장할 것임을 시사합니다. 실제로 IDTechX는 2026년까지 3.2 Tb/s 모듈을 예측했습니다 optics.org. 이는 주목받는 기록으로, 치열한 글로벌 경쟁을 보여줍니다. Coherent(미국) 등도 1.6T 및 3.2T 설계를 개발 중입니다 optics.org.
PsiQuantum의 광자 양자 칩 진전 상황(2024): 양자 분야에서, PsiQuantum(비밀리에 운영되지만 GlobalFoundries와 협력하는 것으로 알려짐)은 손실 허용 광자 양자 컴퓨터로 가는 경로를 설명하는 연구를 발표했고, 그들의 광자 양자 아키텍처를 위한 “Omega”라는 칩을 발표했습니다 thequantuminsider.com. 아직 상용 제품은 아니지만, 이는 실리콘 포토닉스를 핵심으로 하는 광자 양자 컴퓨팅 하드웨어가 발전하고 있음을 보여줍니다. PsiQuantum의 접근법은 수천 개의 단일 광자 소스와 검출기를 통합해야 합니다. 여기서 주목할 점은 제조 가능성의 검증입니다: 2022년 Nature 논문에서는 단일 실리콘 포토닉 칩에서 주요 부품(소스, 필터, 검출기)이 구현되어 확장 가능함을 보여주었습니다 nature.com. 이는 그들이 2020년대 중반에서 2030년대 초 사이에 백만 큐비트 광학 양자 컴퓨터(장기 목표) 프로토타입의 이정표를 향해 순조롭게 나아가고 있음을 시사합니다. 이러한 개발은 틈새 시장이지만, 고성능 컴퓨팅을 재정의할 수 있기 때문에 면밀히 주시되고 있습니다.
리튬 나이오베이트 포토닉스 스타트업 투자 유치(2023): 앞서 언급했듯, LiNbO₃를 실리콘 포토닉스와 통합하는 데 주력하는 두 스타트업, HyperLight(미국)와 Lightium(스위스)이 2023년에 총 4,400만 달러를 유치했습니다 optics.org. 이 투자 소식은 실리콘 포토닉스의 성능 한계를 극복하기 위해 새로운 소재를 추가하는 트렌드를 보여준다는 점에서 주목받았습니다. 이 회사들은 더 높은 선형성과 넓은 파장 범위(가시광선부터 중적외선까지)에서 매우 낮은 손실로 동작하는 변조기를 내세우고 있습니다 optics.org. 즉각적인 응용 분야는 통신용 초고속 변조기나 양자 및 RF 포토닉스용 특수 장치가 될 수 있습니다. 더 넓게 보면, 투자 커뮤니티가 소재 혁신에도 자금을 지원하고 있다는 점(더 눈에 띄는 트랜시버 스타트업뿐만 아니라)입니다. 이는 재료 과학의 발전(예: 절연체 위 TFLN)이 이 분야에서 빠르게 스타트업과 제품으로 전환될 수 있음을 보여줍니다.
표준 및 컨소시엄 업데이트(2024–25): 표준화 측면에서 여러 움직임이 있었습니다. Continuous-Wave WDM MSA(공패키지 광학용 표준 광원 모듈을 정의하는 컨소시엄)은 여러 포토닉 칩에 공급할 수 있는 공통 레이저 소스에 대한 초기 사양을 발표했습니다. 이는 공패키지 광학의 다중 벤더 호환성을 보장하는 데 중요합니다. 또한, UCIe 컨소시엄(칩렛 인터커넥트용)은 광 칩렛 링크의 표준화 방안을 논의하기 위해 광 작업 그룹을 구성했습니다. 한편, COBO(온보드 광학 컨소시엄)와 CPO Alliance와 같은 조직은 (예: OFC 2024에서) 공패키지 광학의 모범 사례를 논의하는 정상 회담을 개최해 왔습니다 ansys.com. 이 모든 것은 업계가 인터페이스의 조화 필요성을 인식하고, 도입을 늦출 수 있는 파편화를 피하려 한다는 점을 보여줍니다. IEEE의 최근 뉴스에서도 1.6T 이더넷 표준 및 실리콘 포토닉 기술 사용을 전제로 한 관련 광학 인터페이스 표준의 진전이 있음을 알렸습니다.
제품 출시: 제품 측면에서는 실제 하드웨어가 출시되고 있습니다:
800G 플러그형 모듈: 여러 벤더(Intel, Marvell/Inphi 등)가 2024년에 실리콘 포토닉스를 적용한 800G QSFP-DD 및 OSFP 모듈 샘플링을 시작했습니다. 이 모듈들은 2025년 스위치 및 네트워크에 도입될 가능성이 높습니다.
CPO 데모 키트: Ranovus와 IBM과 같은 기업들이 공패키지 광학 개발 키트를 시연했습니다 – 상용 CPO 제품의 전 단계입니다. 예를 들어, IBM의 공패키지 스위치 연구 프로토타입이 실제로 동작하는 모습이 공개되었고, Ranovus는 8×100G 파장 CPO 모듈을 보유하고 있습니다.
실리콘 포토닉 라이다 제품: Innovusion(중국)과 Voyant Photonics(미국)는 실리콘 포토닉 라이다에서의 진전을 발표했습니다. Innovusion의 최신 차량용 라이다는 일부 실리콘 포토닉 부품을 사용해 경쟁력 있는 비용으로 FMCW를 구현합니다. 콜롬비아 대학 연구에서 출발한 스타트업 Voyant는 드론 및 로봇용으로 실리콘 포토닉스 기반의 초소형 솔리드스테이트 라이다 모듈을 실제로 판매하고 있습니다.
광 I/O 칩렛: 2025년 중반까지 Ayar Labs는 TeraPHY 광 I/O 칩렛과 SuperNova 레이저 소스를 초기 고객 테스트에 투입할 계획이며, HPC 시스템에 8Tbps 광 링크를 제공합니다. 일정대로 진행된다면, 이는 2025~26년경(아마도 정부 연구소나 파일럿 슈퍼컴퓨터에서) 컴퓨터 시스템에 광 I/O가 최초로 도입되는 사례가 될 수 있습니다.
최근 뉴스의 연이은 발표는 이 분야가 여러 측면에서 빠르게 발전하고 있음을 보여줍니다: 속도 혁신(1.6T 광학)부터 주요 전략적 변화(Intel 아웃소싱, 대규모 투자 유치), 그리고 최초의 상용 도입 사례(AI용 광 엔진)까지. 이 모든 발전은 실리콘 포토닉스가 유망한 기술에서 제품과 산업에 점점 더 큰 영향을 미치는 상업적 현실로 전환되고 있음을 보여주기에 매우 흥미로운 시기입니다.
일반 대중에게 이 모든 뉴스에서 얻을 수 있는 핵심 메시지는 실리콘 포토닉스가 먼 미래의 약속이 아니라 지금 현실이 되고 있다는 것입니다. 기업들은 여기에 막대한 자금과 자원을 투입하고 있으며, 실제 제품이 출시되고 있고, 분기마다 이전 기록을 깨는 새로운 이정표가 등장하고 있습니다. 이 분야는 매우 빠르게 움직이고 있으며, 기술에 밝은 독자들조차 “광 칩렛”이나 “1.6테라비트 모듈”과 같은 것들이 얼마나 빨리 등장했는지에 놀랄 수 있습니다. 또한 이 뉴스는 미국, 유럽, 아시아 등 전 세계적으로 치열한 경쟁이 벌어지고 있음을 보여주며, 딥테크 스타트업부터 최대 규모의 반도체 기업, 네트워크 제공업체에 이르기까지 모든 분야를 아우르고 있음을 강조합니다.
미래 전망 및 예측
앞을 내다보면, 실리콘 포토닉스의 미래는 매우 유망해 보이며, 향후 10년 동안 컴퓨팅과 통신을 재정의할 잠재력을 가지고 있습니다. 미래에 대해 다음과 같은 예측과 기대를 할 수 있습니다:
- 컴퓨팅 분야의 광범위한 도입: 2020년대 후반에는 실리콘 포토닉스가 고급 컴퓨팅 시스템의 표준 기능이 될 것으로 기대할 수 있습니다. 언급했듯이, 2026~2027년에는 광 I/O가 통합된 최초의 CPU, GPU, 또는 AI 가속기가 등장할 것으로 보입니다 nextplatform.com. 처음에는 이 기술이 특수 시장(슈퍼컴퓨터, 고빈도 트레이딩 시스템, 첨단 AI 클러스터 등)에서 사용될 수 있지만, 이는 더 넓은 도입의 길을 열 것입니다. 기술이 입증되고 생산량이 증가하면, 광 I/O는 2030년대에 더 일반적인 서버와 기기로 확산될 수 있습니다. 각 CPU에 광섬유 포트가 패키지에 직접 탑재되어 광 상단 랙 스위치에 연결되는 랙 서버를 상상해 보십시오. 이것이 보편화될 수 있습니다. 메모리 병목 현상도 광 링크로 해결될 수 있습니다. 예를 들어, 메모리 모듈을 프로세서에 광학적으로 연결하여 더 먼 거리에서도 더 높은 대역폭을 제공할 수 있습니다(일부 연구자들은 대규모 공유 메모리 풀을 위한 “광 메모리 분리”에 대해 이야기합니다). 요약하면, 미래의 데이터 센터(그리고 확장하면 미래의 클라우드 서비스)는 실리콘 포토닉스가 가능하게 하는 모든 수준의 광 인터커넥트 패브릭 위에 구축될 가능성이 높습니다.
- 모두를 위한 테라비트 네트워킹: 네트워크 링크의 용량은 계속해서 비약적으로 증가할 것입니다. 우리는 1.6 Tb/s, 3.2 Tb/s, 심지어 6.4 Tb/s 광 트랜시버가 2030년대 초 단일 모듈에서 구현되는 시대를 이야기하고 있습니다. 이러한 속도는 상상을 초월합니다. 예를 들어 3.2 Tb/s 링크는 4K 영화를 밀리초의 일부만에 전송할 수 있습니다. 이러한 속도는 데이터 센터 백본과 통신망에서 사용되겠지만, 간접적으로는 소비자들에게도 혜택이 돌아갑니다(더 빠른 인터넷, 더 강력한 클라우드 서비스 등). 2035년까지 분석가들은 포토닉 집적회로 시장이 AI와 데이터 센터용 이 트랜시버를 기반으로 500억 달러 이상에 이를 것으로 전망합니다 optics.org. 우리는 800G와 1.6T가 새로운 100G가 되는 모습을 볼 수도 있습니다. 즉, 이들이 네트워크의 주력 링크가 된다는 의미입니다. 그리고 사용량이 늘어나면 비트당 비용이 떨어져 초고속 연결이 더 저렴하고 보편화될 것입니다. 심지어 소비자 기기(예: 매우 높은 대역폭이 필요한 VR 헤드셋이 PC나 콘솔에 연결될 때)도 광 USB나 광 Thunderbolt 케이블을 사용해 수십~수백 기가비트를 지연이나 손실 없이 전송할 수 있을 가능성이 있습니다.
- 통신의 혁신: 통신 분야에서는 실리콘 포토닉스가 전광 네트워크(all-optical networks) 실현을 도울 것이며, 훨씬 더 높은 효율을 제공할 것입니다. 집적 포토닉스를 활용한 코히런트 광통신은 (고급 변조 방식과 아마도 집적 트랜시버 DSP를 통해) 파장당 1 Tb/s를 넘어 확장될 가능성이 높습니다. 이는 멀티 테라비트 광 채널을 경제적으로 만들어, 필요한 레이저/광섬유의 수를 줄일 수 있습니다. 실리콘 포토닉스는 또한 재구성 가능한 광 애드드롭 멀티플렉서(ROADM) 및 기타 네트워크 장비를 더 작고 전력 효율적으로 만들어, 결과적으로 더 높은 용량의 5G/6G 네트워크와 더 나은 FTTH(가정용 광섬유) 인프라 구축을 촉진합니다. 주목할 만한 구체적 분야는 케이블 TV/광접속용 집적 레이저입니다. 실리콘 기반의 저렴한 튜너블 레이저가 각 가정에 100G 대칭 광 링크를 제공할 수 있게 할 수도 있습니다. 광 기능을 통합함으로써 통신 사업자는 중앙국과 헤드엔드를 단순화할 수 있습니다. 그 결과, 실리콘 포토닉 칩이 뒷받침하는 훨씬 더 빠르고 신뢰성 높은 인터넷 서비스가 잠재적으로 더 낮은 비용에 제공될 것입니다.
- AI 컴퓨팅과 광 엔진: AI 분야에서는 Lightmatter, Lightelligence와 같은 기업이 성공한다면, 우리는 데이터센터에서 최초의 광 보조프로세서(optical coprocessors)를 목격할 수 있을 것입니다. 이들은 빛을 이용해 행렬 곱셈이나 그래프 분석을 가속화하여, 와트당 성능에서 비약적인 도약을 제공할 수 있습니다. 5년 이내에 일부 데이터센터에는 GPU와 함께 광 AI 가속기(optical AI accelerators) 랙이 배치되어, 초고속 추론 등 특화된 작업을 매우 빠르게 처리할 수 있을 것으로 보입니다. 완전한 광 컴퓨터가 다소 제한적이더라도, 하이브리드 전자-광 방식(로직 제어는 전자, 대용량 데이터 이동 및 곱셈-누적 연산은 광)이 AI 성능 확장의 핵심 전략이 될 수 있습니다. 발열과 전력 소모를 줄임으로써, 포토닉스는 AI 모델이 수조 개의 파라미터로 확장될 때도 AI 학습을 가능하게 할 수 있습니다. 요약하자면, 실리콘 포토닉스는 전력망을 마비시키지 않고 AI 모델 크기/학습 데이터가 1000배 더 커지는 것을 가능하게 하는 비밀 소스가 될 수 있습니다.
- 소비자 기술에 미치는 영향: 현재 실리콘 포토닉스의 대부분은 대형 시스템(데이터 센터, 네트워크)에 사용되고 있지만, 결국에는 소비자 기기로 점차 확산될 것입니다. 한 가지 분명한 후보는 AR/VR 헤드셋입니다(막대한 데이터를 작은 디스플레이와 카메라에 전달해야 하므로 광학 인터커넥트가 도움이 될 수 있음). 또 다른 예는 소비자용 LiDAR 또는 깊이 센서입니다. 미래의 스마트폰이나 웨어러블 기기에는 건강 모니터링(예: Rockley Photonics가 목표로 했던 것처럼)이나 환경의 3D 스캐닝을 위한 초소형 실리콘 포토닉 센서가 탑재될 수 있습니다. 인텔의 Mobileye는 이미 자사의 실리콘 포토닉 LiDAR가 자동차에 탑재될 것임을 밝혔으므로, 2020년대 후반에는 새 자동차에 포토닉 칩이 통합되어 자율주행 센서를 조용히 제어할 수 있습니다 tanaka-preciousmetals.com. 시간이 지나 비용이 낮아지면, 이러한 센서가 일상 기기에도 더 많이 등장할 수 있습니다(예를 들어, 실리콘 포토닉 센서를 이용해 손목에서 광학 분광법으로 비침습적으로 포도당이나 혈액 분석을 모니터링하는 스마트워치 – 실제로 여러 기업이 이 개념을 연구 중임). 고급 오디오/비주얼 분야에서도 광학 칩이 카메라를 개선하거나(LiDAR를 이용한 초점 조정 또는 사진의 3D 매핑) 홀로그래픽 디스플레이를 구현할 수 있습니다. 이는 미세한 수준에서 빛을 변조함으로써 가능하며(약간은 추측이지만, 실리콘 기반 공간 광 변조기가 발전함에 따라 불가능하지는 않음), 10년 후에는 소비자들이 오늘날 MEMS 센서를 무의식적으로 사용하는 것처럼 실리콘 포토닉스를 사용하는 기기를 아무렇지 않게 쓸 수도 있습니다.
- 양자 영역의 포토닉스: 더 먼 미래를 내다본다면, 양자 포토닉 기술이 성숙할 수 있습니다. PsiQuantum 등에서 성공한다면, 특정 작업에서 기존 슈퍼컴퓨터를 능가하는 포토닉 양자 컴퓨터가 등장할 수 있습니다 – 칩 위에서 수백만 개의 얽힌 광자가 처리되는 식입니다. 이는 엄청난 성과가 될 것이며, 최초의 전자식 컴퓨터만큼이나 변혁적일 수 있습니다. 이는 2030년 이후의 일일 수 있지만, 그 전까지도 양자 시뮬레이터나 네트워크 기반 양자 통신 시스템이 실리콘 포토닉스를 이용해 등장할 수 있습니다. 예를 들어, 안전한 양자 통신 링크(QKD 네트워크)가 데이터 센터에 표준화된 실리콘 포토닉 QKD 송신기를 사용해 도시 전체 네트워크에 배치될 수 있습니다. 또한 양자 센서(예: 양자 수준의 민감도를 가진 광학 자이로스코프 등)가 칩 위에 탑재되어 내비게이션이나 과학 분야에 활용될 가능성도 있습니다.
- 지속적인 연구와 새로운 지평: 실리콘 포토닉스 분야 자체도 계속 진화할 것입니다. 연구자들은 이미 3D 집적을 탐구 중입니다 – 포토닉 칩과 전자 칩을 적층해 더욱 밀접하게 결합하는 방식(일부는 포토닉 인터포저를 CPU 아래에 배치하기 위한 마이크로 범프나 본딩 기술을 연구 중임). 또한 칩 내 광 네트워킹(ONoC)에 대한 논의도 있습니다. 이는 전기적 네트워크 온 칩 대신 또는 추가로 프로세서가 코어 간 통신에 빛을 사용하는 방식입니다. 언젠가 다중 코어 CPU가 내부 광 네트워크를 사용한다면 칩 내 대역폭 병목 현상을 해소할 수 있습니다(이것은 좀 더 먼 미래의 일이지만, 개념적으로는 실험실에서 입증됨). 나노포토닉스도 중요한 역할을 할 수 있습니다: 플라즈모닉 또는 나노스케일 광학 부품이 매우 빠른 속도나 극도로 작은 크기로 동작하여, 특정 작업(예: 초소형 변조기)에 실리콘 포토닉스와 통합될 수 있습니다. 그리고 언젠가 누군가가 어떤 기발한 소재 트릭을 통해 실리콘 레이저를 실현한다면 – 이는 포토닉 통합을 정말로 단순화할 것입니다.
- 시장 및 산업 전망: 경제적으로, 우리는 아마도 실리콘 포토닉스 시장의 호황을 보게 될 것입니다. IDTechX에 따르면, 2035년까지 약 540억 달러의 시장 가치가 예상됩니다 optics.org. 특히 데이터 통신이 시장의 대부분을 차지하겠지만, 그 중 약 110억 달러는 비데이터 응용 분야(통신, 라이다, 센서, 양자 등)에서 나올 수 있습니다 optics.org. 이는 이 기술의 이점이 여러 분야에 걸쳐 확산될 것임을 의미합니다. 또한, 일부 대형 산업 재편 또는 파트너십도 볼 수 있을 것입니다: 예를 들어, 한 기술 대기업이 포토닉스 유니콘 스타트업 중 하나를 인수할 수도 있습니다(예를 들어, Nvidia가 광컴퓨팅 선점을 위해 Ayar Labs나 Lightmatter를 인수하는 것을 상상해보세요). 판이 커질수록 이런 일도 충분히 가능합니다. 더불어, 국제 경쟁도 심화될 수 있습니다 – 정부가 주도권 확보를 위해 대규모 투자를 단행할 수도 있습니다(반도체 산업이 전략적으로 여겨지는 것과 유사하게). 실리콘 포토닉스는 국가 기술 전략의 핵심 요소가 될 수 있으며, 이는 R&D 자금과 인프라 투자를 더욱 촉진할 수 있습니다.
더 넓은 관점에서 보면, 실리콘 포토닉스가 가져올 미래는 컴퓨팅과 통신의 경계가 흐려지는 세상입니다. 거리는 덜 제한적이 되어 – 데이터가 칩 내부든 도시 간이든 광섬유를 통해 똑같이 쉽게 이동할 수 있습니다. 이는 자원이 어디에 있든 물리적 위치가 중요하지 않은 분산 컴퓨팅 아키텍처를 가능하게 할 수 있습니다. 광 연결로 인해 지연은 낮고 대역폭은 높아지기 때문입니다. 컴퓨팅, 스토리지, 메모리가 레고 블록처럼 광으로 연결된 진정한 분산형 데이터센터도 볼 수 있을 것입니다. 포토닉스의 에너지 효율성 향상은 디지털 인프라의 에너지 수요가 커지는 상황에서 더 친환경적인 ICT에도 기여할 수 있습니다.
업계 베테랑의 말을 빌리자면, “실리콘 포토닉스의 대규모 확장 여정은 도전만큼이나 흥미롭다.” laserfocusworld.com 앞으로 몇 년간 분명히 장애물이 있겠지만, 이를 극복하려는 학계와 산업계의 집단적 의지가 있습니다. 소재 과학, 반도체 공학, 포토닉스를 결합한 협력과 혁신을 통해 전문가들은 이러한 도전을 극복하고 실리콘 포토닉스의 잠재력을 완전히 실현할 수 있을 것이라고 확신합니다 laserfocusworld.com. 미래 전망은 이 기술이 (기기를 연결하거나 특수 시스템을 보조하는 주변부에서) 컴퓨팅과 연결성의 핵심으로 이동할 것이라는 점입니다. 우리는 본질적으로 새로운 시대의 여명을 목격하고 있습니다 – 이제 정보의 생명줄을 전자뿐만 아니라 빛이 기기와 네트워크를 통해 전달하는 시대입니다. 그리고 이것이야말로 앞으로 10년, 그 이후까지 펼쳐질 진정한 혁명적 변화입니다.
출처: 실리콘 포토닉스 정의 및 장점 ansys.com ansys.com; 센싱, LiDAR, 양자 분야의 응용 ansys.com ansys.com; 데이터 센터 및 AI 동향 laserfocusworld.com, optics.org; 전문가 인용 및 인사이트 laserfocusworld.com, tanaka-preciousmetals.com, nature.com; 업계 리더 expertmarketresearch.com; 최신 뉴스 및 투자 datacenterdynamics.com, nextplatform.com, nextplatform.com; 미래 전망 optics.org
The Future of Silicon Photonics: Transforming Data Centers
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