OCP 2025: FiberMall에서 1.6T 이상의 DSP, LPO/LRO 및 CPO 기술 발전 사항을 선보입니다.

인공지능(AI)과 머신러닝의 급속한 발전으로 데이터센터의 대역폭 요구가 시급해지고 있습니다. FiberMall은 OCP 2025에서 AI 애플리케이션용 트랜시버 DSP는 물론 LPO(선형 플러그형 광학 소자), LRO(선형 수신 광학 소자), CPO(공동 패키지 광학 소자) 기술 분야의 진전을 소개하는 여러 프레젠테이션을 진행했습니다. 발표에서는 전력 소비, 에너지 효율, 광학 성능 등 주요 성능 지표에 대한 논의가 이루어졌습니다.

FiberMall은 CPO 아키텍처 기반의 광 커넥터 및 광섬유 부품에 대한 포괄적인 지원을 제공했으며, 여기에는 CPO/NPO 광 엔진(OE), ELSFP 모듈, 광 커넥터, 패널, 미드보드 솔루션 및 다양한 광섬유 어셈블리가 포함됩니다. 또한, 이 회사는 채널당 400Gbps를 달성하기 위한 두 가지 잠재적 기술인 InP-EML 및 박막 리튬 니오베이트(TFLN) 기술을 연구하고 있습니다. 전반적으로 발표 내용은 철저하고 유익했습니다.

AI 데이터 센터에서 증가하는 대역폭 및 에너지 효율성 요구

인공지능(AI)과 머신러닝의 발전으로 더 높은 대역폭에 대한 필요성이 가속화되고 있으며, 레인당 224Gbps가 중요한 기준점으로 떠오르고 있습니다. 한편, 전 세계 데이터센터의 전력 소비량도 크게 증가하고 있습니다. 속도별 이더넷 트랜시버 판매량과 2020년부터 2030년까지 다양한 장비의 기준 전력 사용량 예측치는 에너지 효율성 개선의 필요성을 강조합니다.

급증하는 컴퓨팅 성능과 데이터 트래픽에 대응하기 위해 대역폭을 향상시키면서 뛰어난 에너지 효율성을 달성하는 것이 데이터 센터 설계 및 운영의 핵심 과제가 되었습니다.

AI 인터커넥트를 위한 광학 솔루션: DSP, LPO 및 LRO

AI 인터커넥트의 광학 방식은 크게 다음과 같은 범주로 분류할 수 있습니다.

1. 완전 이퀄라이제이션 DSP 플러그형 모듈이러한 기술은 다양한 운영 환경에서 뛰어난 신호 무결성과 다용성을 제공합니다. 또한, 성숙한 진단 및 모니터링 기능과 검증된 멀티벤더 호환성을 통해 대규모 구축 환경에서도 안정적인 성능을 보장합니다. 하지만 DSP 처리로 인해 전력 소비가 증가하고 지연 시간이 길어질 수 있습니다.
2. LPO(선형 플러그형 광학 장치)LPO는 DSP 처리를 제거함으로써 모듈 전력 소비를 최소화하고, 설계를 단순화하며, 작동 온도를 낮춰 최대 효율과 최소 지연 시간을 제공합니다. 모니터링 기능은 제한적이므로 성능 보장을 위해 더욱 엄격한 링크 엔지니어링이 필요합니다. LPO MSA 사양에서는 여러 공급업체의 상호 운용성을 지원합니다.
3. LRO(선형 수신 광학계)이 접근 방식은 전력 소비와 안정성 사이의 균형을 맞춥니다. 완전한 DSP 솔루션과 비교했을 때, LRO는 전력 소비와 지연 시간을 크게 줄이면서도(LPO보다는 높지만) 적절한 모니터링 기능을 제공하고 순수 LPO보다 뛰어난 안정성을 제공합니다. 이 생태계는 1.6T 시스템에서 실현 가능성이 검증되면서 성숙 단계에 접어들고 있습니다.

이 세 가지 플러그형 광 옵션은 각각 뚜렷한 장점을 제공하므로 전력, 전송 거리 및 대역폭에 대한 AI 시스템 요구 사항에 따라 선택하여 상호 연결 성능을 최적화할 수 있습니다.

또한, 광학 소자를 ASIC 칩과 함께 패키징하면 상호 연결 손실이 크게 줄어들고 대역폭이 획기적으로 증가합니다. 선형/직접 ASIC 구동 방식을 사용하면 전력 소비가 감소하고 응답 지연 시간이 단축됩니다. 그러나 이러한 고도로 통합된 접근 방식은 유지 보수, 신뢰성 및 제조 공정에 새로운 과제를 제기하므로 설계 및 생산 단계에서 이러한 사항들을 동시에 고려해야 합니다.

AI 가속기의 전력 소비 분석

AI 가속기의 전력 구성에서 광학 모듈이 약 49%로 가장 큰 비중을 차지하며, 그 뒤를 ASIC(28%), 팬(10%), ASIC SerDes(13%)가 잇습니다.

400,000만 개의 GB300 GPU로 구성된 클러스터의 경우, 광 모듈 유형별 전력 소비량 비교 결과는 다음과 같습니다.

• DSP 기반 모듈: 총 492MW
• LPO: 2% 감소하여 480MW로 조정
• CPO: 10% 추가 감축하여 434MW로 조정

핵심 구성 요소에 대한 정밀한 전력 할당과 지속적인 에너지 효율 개선을 통해 대규모 AI 시스템은 에너지 활용도를 크게 향상시킬 수 있습니다.

3nm 공정으로 제작된 DSP는 5nm 버전 대비 뛰어난 성능을 유지하면서 전력 소모를 크게 줄였습니다. LRO 및 LPO 기술을 통합하면 에너지 사용량을 더욱 압축하여 확장 가능한 AI 컴퓨팅에 탁월한 효율성을 제공합니다.

성능 지표: 전력 및 에너지 효율

800G DR8 플랫폼에서:

• DSP: 13W 전력 소모, 16.3pJ/bit 효율
• LRO: 8.5W 출력, 10.6pJ/bit 효율
• LPO: 7.5W 출력, 9.4pJ/bit 효율

1600G 2×DR4 플랫폼에서:

• DSP: 21W 전력 소모, 13.1pJ/bit 효율
• LRO: 15W 출력, 9.4pJ/bit 효율
• LPO: 10W 출력, 6.3pJ/bit 효율

이 수치들은 대역폭이 증가함에 따라 전력 소모도 증가하지만, 에너지 효율은 가변적으로 향상되며, 특히 고대역폭 시나리오에서 LPO가 가장 뚜렷한 이점을 보여준다는 것을 나타냅니다.

LRO는 1.6 Tb/s OSFP224 2×DR4 및 1.6 Tb/s OSFP224 3 nm DSP+DR8 구성에서 탁월한 성능을 보여줍니다. 8개 채널 전체에서 측정된 비트 오류율(BER)은 1e-4보다 훨씬 낮아 생산 수준의 신호 무결성을 입증합니다.

800G DR8 모듈에서 팬 속도를 50%, 75%, 100%로 설정하여 수집한 2,200개의 데이터 포인트를 기반으로 전력 및 온도를 분석한 결과, LPO(저전력 최적화)가 냉각 시스템의 에너지 요구량을 크게 줄이는 것으로 나타났습니다. 기존 DSP 트랜시버와 비교했을 때, LPO는 동일한 조건에서 열 방출 온도를 약 15°C 낮춰 탁월한 에너지 효율과 열 관리를 가능하게 합니다.

1.6Tbit/s OSFP224 DR8 LPO의 초기 테스트 결과, 차세대 1.6T 이더넷 LPO 애플리케이션에 적합한 것으로 나타났습니다. 엄격한 검증을 통해 해당 모듈이 고속 전송, BER(비트 오류율), 전력 제어 측면에서 설계 목표를 충족하거나 초과하는 것으로 확인되었으며, 이는 초고용량 이더넷 링크에 필요한 신뢰성과 확장성을 보장합니다.

FiberMall은 1.6Tb/s OSFP224 2×DR4에 대한 엔드투엔드 검증을 완료했으며, 모든 채널에서 사양보다 훨씬 낮은 BER을 보여 대규모 배포 준비가 완료되었음을 확인했습니다.

FiberMall은 1.6Tbps OSFP224 지원을 2×VR4(단거리) 및 2×FR4(중거리) 링크로 확장하고 있습니다. 상세한 아이 다이어그램 분석 결과, 초기 설계 완성도와 높은 링크 안정성이 입증되었으며, 단거리 AI 컴퓨팅 클러스터부터 장거리 스파인-리프 인터커넥트에 이르기까지 광범위한 적용 범위를 목표로 합니다.

CPO 아키텍처에 대한 포괄적인 지원

FiberMall은 CPO 프레임워크 하에서 CPO/NPO OE, ELSFP, 광 커넥터, 패널, 미드보드 솔루션 및 다양한 광섬유 어셈블리를 포함한 광 커넥터 및 광섬유 구성 요소에 대한 전 범위 지원을 제공하여 높은 신뢰성과 우수한 성능을 보장합니다.

FiberMall은 고급 광섬유 연결 및 관리 솔루션도 제공합니다. 미드보드 설계는 다중 광섬유 상호 연결을 위해 MT 테이퍼형 페룰 커넥터를 사용하여 스위치 내부 광섬유 관리를 간소화하고, 단선 위험을 줄이며, 라우팅 유연성을 향상시킵니다.

전면 패널은 기존 MPO 인터페이스와 함께 고밀도 애플리케이션을 위한 MMC 및 SNMT와 같은 초소형 폼 팩터(VSFF) 옵션을 지원합니다.

광섬유 관리에서:

• 카세트 기반의 사전 성형된 소형 설계로 설치 및 유지 보수가 용이한 교차 없는 광섬유 라우팅 방식입니다.
• 혁신적인 교배/혼합 솔루션:
  • 2D 플렉시블 보드 라우팅자동화된 배선, 제한된 공간에서 복잡한 배선을 위한 소형 다층 적층 구조, 신속한 조립 및 유지보수를 위한 사전 성형 모듈식 설계.
  • 3D 매트릭스 라우팅접합부가 필요 없는 고성능의 안정적인 광섬유 케이블.

FiberMall의 CPO/NPO 광 엔진은 초고밀도 광 I/O를 위해 실리콘 포토닉스 트랜시버를 통합합니다. 초기 사양은 3.2T(32 × 100Gbps)를 목표로 하며, 6.4T(32 × 200Gbps)까지 원활하게 확장 가능합니다. 크기는 OIF 표준을 준수하며, 전기 인터페이스는 향상된 OIF 사양을 기반으로 하여 폭넓은 호환성을 제공합니다. 광섬유 종단에는 ​​애플리케이션별로 맞춤 설정 가능한 MPO 피그테일이 사용됩니다. 이 시스템은 FiberMall의 2.5D/3D 플립칩 패키징 플랫폼을 활용하여 안정적인 고밀도 캡슐화와 뛰어난 열 성능을 제공합니다.

FiberMall은 전시 부스에서 25dBm 출력의 ELSFP 모듈을 선보였습니다.

1. OIF 버전 (베타 샘플)OIF ELSFP 폼 팩터를 준수하며, 범용 광/전기 인터페이스와 듀얼 MT 포트를 갖추고 있습니다. 1310nm 대역(1304.5~1317.5nm)에서 4/8채널의 DR 아키텍처를 지원하며, SMSR ≥ 40dB, RIN ≤ -147dB/Hz, PER 최대 16dB의 성능을 제공합니다. VHP, UHP, SHP 전력 등급으로 제공됩니다.
2. 사용자 지정 버전 (개발 중)맞춤형 폼 팩터 및 패스스루 애플리케이션을 지원하며, 다중 파장 WDM 방식과 호환됩니다.

이 솔루션은 고속 상호 연결 및 다중 파장 전송과 같은 까다로운 환경에서 고출력, 광대역, 저잡음 성능을 제공합니다.

광 경로 설계는 높은 결합 효율, 탁월한 PER(전력 변환 효율) 및 최소한의 반사 손실에 중점을 둡니다. PCB 설계는 전력 변환 효율과 초저잡음에 초점을 맞춥니다. 열 설계는 레이저와 케이스 사이의 열 저항을 줄여 열 방출을 향상시키고 장기적인 신뢰성을 보장합니다.

채널당 400Gbps 이상의 속도를 향한 경로

FiberMall은 채널당 400Gbps 이상의 속도를 달성하기 위해 두 가지 핵심 광전자 장치 분야의 혁신에 연구 역량을 집중하고 있습니다.

• InP-EAM: 약 120GHz의 3dB 대역폭을 달성합니다.
• 실리콘 기반 TFLN 변조기: 낮은 손실(~0.2dB/cm) 및 결합 손실(~1dB/면), ~115GHz 3dB 대역폭, 0.8Vpp 구동 시 4.5dB ER.

이러한 발전은 차세대 초고속 광 인터커넥트의 효율성과 신호 무결성을 향상시킵니다.

CPO 및 고출력 레이저 시장 전망

업계에서는 CPO(Closed Power Operator)의 도입이 현재 연도를 기준으로 "N+2" 기간 내에 이루어질 것으로 예상하고 있습니다. 이에 따라 CPO 포트(400G, 800G, 1.6T, 3.2T)의 출하량은 빠르게 증가하여 2030년에는 전체 시장 규모가 약 5.4억 달러에 이를 것으로 전망됩니다.

CPO 레이저 칩에 대한 수요는 동시에 증가하여 2030년 시장 규모는 약 6억 5천만 달러에 달할 것으로 예상됩니다. 고출력 칩(>500mW)이 시장 점유율의 80% 이상을 차지하며 고용량 광 인터커넥트에 핵심적인 역할을 할 것으로 전망됩니다.

결론: 확장 가능하고 에너지 효율적인 AI 인프라 구축

AI 컴퓨팅 규모가 확장되는 시대에 대역폭과 전력 제약은 주요 병목 현상입니다. 엄격한 전력 예산 내에서 더 높은 처리량을 달성하기 위해 AI 클러스터 확장은 더욱 효율적인 전송 솔루션에 의존합니다.

현재 사용 가능한 송수신기 옵션으로는 DSP, LPO, LRO, CPO가 있으며, 이들은 거리, 효율성, 통합 측면에서 다양한 장단점을 제공합니다. LPO는 800Gbps 및 1.6Tbps 속도에서 성숙 단계에 접어들어 성능 목표를 충족하면서 상당한 전력 절감을 실현하고 있습니다. 광 엔진, 외부 레이저 소스, 광섬유 구성 요소로 이루어진 CPO 시스템 또한 대규모 도입을 위한 성숙 단계에 가까워지고 있습니다.

DSP, 선형 광학 및 CPO는 종합적으로 확장 가능하고 에너지 효율적인 AI 인프라 기반을 형성하여 미래의 더욱 강력한 컴퓨팅 성능에 대한 요구를 지원합니다.