[논문리뷰] E‑TUBE: dielectric waveguide cable for high‑speed communication

 이번에 오랜만에 리뷰할 내용은 E-Tube라는 부도체 기반 케이블의 Concept과 성능에 대한 정리를 해놓은 네이처의 논문이다. [1] VC로 넘어온 이후 통신 관련 논문 리뷰는 거의 하지 않았지만, 인상 깊게 봤던 스타트업의 논문이 있어서 짧게 리뷰해보고자 한다. Microsoft, Amazon, Oracle 등 글로벌 업체들이 AI 서비스를 위한 데이터센터에 끊임없이 투자를 진행하고 있다. 아마존은 '27년까지 약 20조 원, Oracle는 10년간 약 11조 원의 데이터센터 Capex 투자를 일본에서 집행하겠다고 발표했다. [2] 이처럼 데이터센터에 대한 Capex 투자가 늘어나면, Nvidia의 H100 같은 AI 반도체 같은 인프라 구축에 필요한 소부장 주들이 주목을 받을 수 있다. 이 글에서 다루는 데이터센터 向 케이블도 그 수혜를 받을 것으로 보인다.

 AI의 등장으로 대용량의 데이터를 처리할 GPU/NPU가 등장한 것처럼, 데이터 트래픽의 양이 폭증함에 따라 네트워크가 Bottleneck이 되고 있다. 데이터센터에서도 100G/200G의 유선망 연결로 충분했던 과거와 달리 최근에는 400G/800G의 트래픽을 견딜 수 있는 케이블이 개발 및 요구되고 있다. 데이터센터의 면적도 확장되고 있으며, 바로 위아래의 Rack (서버 등)을 넘어서 더 긴 거리의 연결을 요구하는 케이스가 늘어나고 있다. 케이블의 길이가 길어지면, 데이터의 loss가 커지지만, 우리는 오히려 더 많은 데이터를 보낼 케이블이 필요하다. 서버를 THz 대역의 무선망으로 연결하자는 아이디어도 있던 것으로 기억하지만, 아직은 갈 길이 멀어 보이기 때문에 잠시 넣어두고, 오늘은 케이블 얘기를 해볼까 한다. 

 본 논문에서 설명하는 E-Tube의 핵심은 '우리가 보낼 신호를 RF IC가 70 GHz 위의 고대역에서 25 GHz 넓이의 광대역 신호를 E-Tube라는 Waveguide 통로에 흘려주고, Receiver는 이를 받아서 Baseband 대역으로 내려서 신호를 복원하면 "주파수에 상관없이" 5db/m의 손실률과 4ns/m의 group delay 성능을 달성할 수 있다'는 것이다. 아래 그래프의 b를 보면, 구리선은 Baud rate (전송 측 속도)가 높아져도, 손실률로 인해 수신 측이 이를 받아들이지 못해 일정 Data rate이상 올라가지 못하는 한계가 있지만, E-Tube와 Optics (광통신)은 성능이 높아진다는 내용이다. 현재 데이터센터 向 케이블은 Optic (광) 기반 솔루션이 대부분이지만, 본 논문에서 주장하는 것은 E-tube가 Optic 기반 솔루션보다 더 low-cost로 적은 loss를 제공할 수 있다는 내용이다.

 기존에도 loss를 줄이기 위한 metallic-waveguide 형태의 케이블은 있었으며, 동축에서 발생하는 loss를 줄이기 위해, 중심 도체를 빼고 직사각형 금속 수도관 같은 느낌의 케이블에 RF 신호를 쐈다. loss는 감소되었지만, 금속이기 때문에 무겁고 비싸다는 단점이 있었다. 이 논문에서 주로 지적하는 포인트는 기존의 케이블은 group delay가 크다는 점이다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이 전면이 Metal로 쌓이면 Channel disperssion으로 인해 Group delay (신호 도달 시간 차이로 인해 생기는 노이즈)가 커지지만, 위아래만 Metal로 감싸면 이런 문제가 적어진다는 설명이다. (S21: 순방향 이득으로 S-parameter는 고주파에서 In-Out의 비율을 비교할 때 자주 쓰임)  

 또 하나의 주요 포인트는 케이블이 휘었을 때의 성능이다. 케이블이 직선일 때는 비교적 성능을 알기 쉽지만, Waveguide가 휘었을 때 (Bending case), 성능 차이가 발생할 수 있다. RF신호가 표면을 맞고 튕기면 도달시간에 차이가 생기는데 Bending으로 표면의 모양에 변화가 생기면 신호의 특성도 달라지기 때문이다. 따라서, 본 논문에서는 케이블이 휘었을 경우 같은 현실에서 일어날 수 있는 케이스를 실험해서 실제 환경에서도 잘 동작함을 주장한다.

 본 논문은 E-Tube가 시뮬레이터에서만 동작하는 것이 아니라 실제 환경에서도 동작하는 것을 보여주기 위해 아래와 같은 실험을 진행했다. Group delay는 시뮬레이터와 거의 일치하는 것을 볼 수 있으며, S21도 대부분 -10dB 내로 들어오는 것을 볼 수 있다. (70 GHz 대역에서는 -13dB였다.) 시뮬레이터와 유사한 성능을 보였지만, 파형에 차이가 조금 보이는 것을 봐서는 실제 적용에 Customize가 필요하지 않을까라고 조심스럽게 유추해 본다.  

 최종적으로는 신호가 얼마나 잘 전달되는지 보기 위해서 본 논문에서는 Bit Error Rate (BER)을 봤다. 통신에서 주요 지표로 자주 사용되는 BER도 3m 이내의 거리에서 $10^(-12)$ 안에 들어올 정도로 성능은 좋고, Eye Diagram (가운데 눈 모양이 선명할수록 통신 성능이 좋음)도 깔끔하게 보이는 것을 볼 수 있다.

Conclusion

 본 논문은 RF 신호를 Waveguide로 쏘는 방식을 통해 적은 loss를 달성하면서도 저렴한 솔루션을 제공할 수 있다고 주장한다. Data center의 서버 같은 움직이지 않고, 정해진 통신 환경에서 고대역을 사용하여 Data rate을 높인다는 주장은 충분히 Reasonable 해 보이기에 긍정적으로 받아들여진다. VC로 온 다음 통신 관련 업체들을 많이 검토하지 않았던 이유가 무선 채널 자체는 Random의 성격이 매우 강하기 때문에, 단기간 내에 이를 극복하는 기술은 나오기 힘들 것으로 보이며, 새로운 Application을 위한 혁신적인 무선 통신 시장이 열리는데 시간이 걸릴 것으로 예상했기 때문이다. 본 논문에서 소개하는 특정 케이스 (Data center)에서 무선 채널을 통해 문제를 극복하는 솔루션은 충분히 적용 가능하다고 생각한다.

 하지만, 이 논문도 추가 연구가 필요해 보인다. 본 논문이 cost와 loss에 대한 얘기를 했지만, 우리의 솔루션을 쓰는 것이 기존 광통신 대비해서 얼마나 cost와 loss를 감안하여 얼마나 경제적인지에 대한 비교가 필요해 보인다. 또한, 모든 케이스에 대해서 우리의 기술이 우위인지, 앞으로 성장할 400G/800G 환경에서의 비교가 필요할 것으로 보인다. Bending도 다양한 형태로 구부러질 수 있기 때문에 추가 customize가 더 필요한 요소인 것인지, 실제 수요처인 데이터 센터의 환경을 조금 더 설명해 주면 좋을 것 같다.

 이 논문 저자들은 포인투테크놀로지라는 스타트업의 소속인데, 최근 글로벌 업체들과 VC들을 상대로 2,300만 달러의 투자를 받았다. [3] 물론, 나와는 비교가 되지 않을 전문가의 레퍼첵을 통과했기에 글로벌 업체의 SI를 받은 것으로 생각되며, 2020년에 나온 논문 이후로도 더 많은 연구가 이루어졌을 것이며, 본 논문에는 담기 힘든 기술들도 있을 것으로 생각되기에 위에서 말한 문제점들은 이미 검증이 완료가 되었을 것으로 생각된다. 내년 이후 상장 예정이라 하니, 지속적인 업체에 대한 스터디를 해볼 예정이다. 

 

Reference

[1] Song, H. I. et al. E-tube: Dielectric waveguide cable for high-speed communication. Sci. Rep. 10, 18263. https://doi.org/10.1038/ s41598-020-75363-4 (2020)

[2] MS·아마존 이어 오라클도 일본 데이터센터 증설에 11조원 투자 - 조선비즈 (chosun.com)

[3] 포인투테크놀로지, 300억 원 시리즈B1 투자 유치···누적투자규모 5,400만 달러 - 전자신문 (etnews.com)