AI 데이터센터 병목 해결사 '광통신'…중국 조립 vs 미·대만 기술 격돌

AI(인공지능) 연산량이 기하급수적으로 늘어나면서 반도체 업계의 시선이 새로운 '병목 구간'으로 향하고 있다. GPU(그래픽처리장치) 메모리와 냉각 전력에 이어, 이제는 수만 개의 GPU를 하나로 묶어 데이터를 주고받는 '연결' 기술이 승부처로 떠올랐다. 그간 데이터 전송의 통로 역할을 했던 구리선이 한계에 부딪히면서, 빛을 이용한 광통신이 AI 인프라의 핵심 기술로 급부상하는 모양새다.

구리선의 한계와 광통신의 부상…'데이터 고속도로'의 교체

현재 AI 데이터센터는 수만 장의 GPU가 마치 하나의 거대한 컴퓨터처럼 움직여야 하는 구조다. 하지만 이들 사이를 잇는 데이터 통로가 막히면 GPU의 성능을 온전히 끌어낼 수 없다. 기존에는 전기 신호를 전달하는 구리선을 주로 사용해 왔으나, AI 시대의 요구 사항은 구리선의 물리적 한계를 넘어서고 있다.

티타임즈TV가 전한 분석에 따르면, 가장 큰 이유는 연결해야 하는 GPU의 규모와 데이터 전송량의 폭발적 증가다. 엔비디아의 차세대 서버 마더보드는 블랙웰 세대에서 한 랙(Rack)에 72개의 GPU를 묶으며, 향후 루비 울트라 모델에서는 이를 576개까지 늘릴 계획이다. 서버 간 거리가 멀어지고 전송해야 할 데이터 양이 1.6테라비트(Tb) 수준으로 치솟으면서, 짧은 구간에서도 신호가 뭉개지는 구리선의 약점이 드러나고 있다.

반면 광통신은 세 가지 측면에서 압도적인 우위를 점한다. 첫째, 신호 감쇠가 적다. 고속 전기 신호는 구리선에서 15cm만 지나도 세기가 100분의 1로 떨어지지만, 광섬유는 15km를 가도 신호가 절반 가까이 유지된다. 둘째, 열과 전력 소모가 적다. 저항으로 인해 열이 발생하는 구리선과 달리 광섬유는 가볍고 얇아 냉각 효율이 높다. 셋째, 대역폭이 넓다. 서로 다른 색깔의 빛을 동시에 쏘아 보낼 수 있어 도로의 차선을 늘리는 것과 같은 효과를 낸다.

칩 안으로 파고드는 빛…'CPO'가 바꿀 산업 지형도

광통신 기술은 현재 데이터센터의 바깥쪽(랙과 랙 사이)에서 안쪽(칩 자체)으로 파고드는 양상을 보인다. 초기에는 수십 미터 이상의 거리를 잇는 구간에 광모듈을 사용하는 방식이 주를 이뤘으나, 최근에는 스위치 칩 바로 옆에 광 부품을 패키징하는 'CPO(Co-Packaged Optics, 공동 패키징 광학)' 기술이 주목받고 있다.

CPO 기술이 도입되면 전기 신호가 이동해야 하는 거리가 수십 센티미터에서 수 밀리미터로 단축된다. 이는 전력 효율과 신호 강도 측면에서 혁신적인 변화를 가져온다. 800Gbps 포트 기준으로 기존 플러그형 광모듈은 약 30와트(W)의 전력을 소모하지만, CPO 방식은 9와트 수준으로 전력 사용량을 3분의 1 이하로 줄일 수 있다. 엔비디아는 이미 2025년 공개할 스위치 스펙트럼 X 포토닉스에 이 기술을 적용해 전력 효율을 3.5배 높였다고 밝혔다.

궁극적인 지향점은 GPU 칩 자체에서 데이터 입출력을 빛으로 처리하는 '광 I/O(Optical I/O)' 기술이다. 이는 칩 설계부터 패키징 방식까지 완전히 바꿔야 하는 고난도 작업이지만, 성공할 경우 흩어져 있는 수많은 GPU를 마치 하나의 거대한 칩처럼 움직이게 만들 수 있는 게임 체인저로 평가받는다.

중국의 '조립 능력' vs 미국·대만의 '설계·패키징' 격돌

광통신 시장의 성장은 공급망 전체의 재편을 의미한다. 라이트카운팅에 따르면 글로벌 광모듈 시장은 2025년 238억 달러(약 33조 원)에서 2031년 1,123억 달러(약 157조 원) 규모로 급성장할 전망이며, 이 시장의 90% 이상을 AI 데이터센터가 차지할 것으로 보인다.

현재 시장의 주도권은 '조립 능력'을 앞세운 중국이 쥐고 있다. 중국 기업 이노라이트는 엔비디아가 구매한 800Gbps 광모듈의 40%, 구글이 구매한 물량의 70%를 공급할 만큼 강력한 점유율을 보유하고 있다. 광모듈은 핵심 부품을 정밀하게 조립하는 능력이 중요한데, 중국의 제조 역량이 이 분야에서 압도적이기 때문이다. 다만 미국은 레이저 칩(롬앤턴, 코요란트)과 광섬유(코닝) 등 핵심 원천 기술을 통해 대응하고 있다.

산업의 무게 중심이 '칩 중심'으로 이동하면서 판도가 바뀔 가능성도 제기된다. 광모듈이 별도의 부품에서 칩의 일부(CPO)로 통합되면, 조립 능력보다는 칩 설계 능력과 정밀 패키징 기술이 핵심 경쟁력이 된다. 이에 따라 칩 설계 강자인 미국의 엔비디아, 브로드컴, 마벨과 패키징 선두주자인 대만 TSMC가 향후 광통신 주도권 다툼의 핵심 플레이어로 부상할 전망이다.

결국 AI 인프라의 병목 현상을 해결할 열쇠를 쥔 광통신 기술을 두고, 물량 공세를 펼치는 중국과 설계·패키징 기술력을 앞세운 미국·대만 간의 전략적 줄다리기는 당분간 지속될 것으로 보인다.

출처: 티타임즈TV 유튜브 「엔비디아, 브로드컴, TSMC가 칩 속에 광케이블을 심는 이유」