CPO 기술 동향 및 국내외 기업 분석

AI 데이터센터의 확산과 네트워크 대역폭의 물리적 한계

 글로벌 데이터 통신 환경은 생성형 인공지능(Generative AI)과 대규모 언어 모델(LLM)의 폭발적인 성장에 따라 전례 없는 전환기를 맞이하고 있다. 인공지능 학습과 추론을 위한 하이퍼스케일 데이터센터, 소위 'AI 팩토리'는 수만 개에서 수십만 개의 GPU와 가속기를 상호 연결하여 하나의 거대한 컴퓨팅 유닛으로 작동해야 한다. 이러한 환경에서 네트워크 대역폭에 대한 수요는 2~3년마다 두 배씩 증가하고 있으며, 이를 지원하기 위한 스위치 및 인터커넥트 기술은 전통적인 구리 기반 전기 신호 전송의 물리적 한계점에 도달했다.

 전기 신호가 구리 선로를 통해 전달될 때 발생하는 신호 감쇄(Signal Attenuation)는 주파수가 높아질수록 기하급수적으로 증가한다. 현재 업계가 도입하고 있는 112G 및 차세대 224G SerDes 기술 환경에서 구리 배선의 유효 전송 거리는 수 센티미터 수준으로 단축되었다. 이를 극복하기 위해 기존 시스템은 리타이머(Retimer)나 고성능 디지털 신호 처리기(DSP)를 추가로 배치해 왔으나, 이는 데이터센터 전체 전력 소비의 급증과 열 밀도 상승이라는 부작용을 초래했다. 데이터센터 운영자들은 이제 성능뿐만 아니라 와트당 대역폭 성능과 랙 밀도 최적화라는 과제를 최우선 순위로 두고 있으며, 이러한 배경에서 광통신 기술을 반도체 패키지 내부로 끌어들이는 코패키지드 옵틱스(Co-Packaged Optics, CPO)가 핵심 솔루션으로 부상하고 있다.

 

전통적인 플러그형 모듈에서 CPO로의 패러다임 전환

 기존의 광통신 아키텍처는 스위치 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)에서 발생한 전기 신호가 시스템 보드의 긴 구리 트레이스를 거쳐 전면 패널의 플러그형 광트랜시버(Pluggable Optical Transceiver)에 도달하고, 여기서 광신호로 변환되는 방식을 취했다. 이 과정에서 발생하는 'Lossy'한 구리 링크는 신호 무결성을 저해하고 전력 소모를 가중시킨다.

 CPO는 이러한 광전 변환 과정을 스위치 ASIC 또는 XPU(GPU, CPU 등)와 동일한 기판(Substrate) 위에서 처리함으로써 전기적 경로를 밀리미터 단위로 단축시킨다. 이는 신호 손실을 80% 이상 줄이고, 전력 소모가 큰 DSP 기능 (네트워크에서 약 50%의 전력 비중)을 간소화하거나 완전히 제거할 수 있게 하여 비트당 전력 소모($pJ/bit$)를 50% 이상 절감하는 효과를 제공한다.

기술 단계별 진화: NPO에서 OIO까지

광 인터커넥트 기술은 통합의 밀도와 기술적 성숙도에 따라 단계적으로 진화하고 있다.

구분	주요 특징	전력 소모 (pJ/bit)	주요 적용 시점
플러그형 (Pluggable)	전면 패널 장착, 표준화된 폼팩터	15 ~ 25	현재 주류 (800G)
LPO (Linear Drive)	DSP 제거, 선형 구동 방식의 플러그형	10 ~ 15	2024년 ~ 2025년
NPO (Near-Package)	ASIC 근처 보드 위에 광엔진 배치	10 ~ 15	2024년 ~ 2026년
CPO (Co-Packaged)	ASIC 패키지 내부로 광엔진 통합	5 ~ 10	2026년 ~ 2028년
Optical I/O (OIO)	칩렛 형태의 완전한 광학 인터페이스	< 1 ~ 5	2028년 이후

 NPO는 광학 엔진을 ASIC 패키지 바로 옆 PCB 기판 위에 배치하는 방식으로, CPO로 가는 과도기적 기술로 평가받는다. NPO는 플러그형 대비 밀도를 2~3배 높이면서도 수리 및 유지보수의 유연성을 제공한다. 반면, CPO는 가장 높은 수준의 에너지 효율과 대역폭 밀도를 제공하며, 최종적으로는 광통신이 칩의 입출력 단계를 완전히 대체하는 'Optical I/O' 시대로 나아가는 발판이 될 것으로 전망된다.

 

CPO 패키징 기술 및 실리콘 포토닉스(SiPh) 분석

실리콘 포토닉스 기반의 광학 엔진 통합

CPO의 성공 여부는 실리콘 포토닉스(Silicon Photonics) 기술의 성숙도에 달려 있다. 실리콘 포토닉스는 기존 반도체 제조 공정을 활용하여 실리콘 웨이퍼 위에 레이저, 변조기(Modulator), 광검출기(Photodetector) 등 광학 소자를 통합하는 기술이다. 이는 저비용 대량 생산이 가능하고 초소형 칩 구현이 가능하여 CPO에 최적화된 광학 엔진 솔루션을 제공한다.

CPO 시스템에서 광학 엔진(Optical Engine, OE)은 크게 광학 회로인 PIC(Photonic Integrated Circuit)와 이를 제어하는 전기 회로인 EIC(Electronic Integrated Circuit)로 구성된다. 이 두 회로를 결합하는 방식에는 다음과 같은 첨단 패키징 기술이 적용된다.

1. 2.5D 통합: EIC와 PIC를 수동 인터포저(Passive Interposer) 위에 나란히 배치하고 마이크로 범프를 통해 연결하는 방식이다. 성능과 비용 사이의 균형을 맞춘 현재의 주류 방식이다.   
2. 3.2D/3D 통합: TSMC의 SoIC(System on Integrated Chips) 기술과 같이 EIC를 PIC 위에 직접 적층하거나 그 반대로 배치하는 방식이다. TSV(Through Silicon Via)를 통해 신호 경로를 극단적으로 단축하며 기생 성분을 최소화한다.   
3. Monolithic 통합: 동일한 실리콘 다이 위에 전기 회로와 광학 회로를 동시에 구현하는 방식이나, 공정 노드 최적화의 어려움으로 인해 현재는 이종 집적(Heterogeneous Integration) 방식이 더 선호된다.   

 

열 관리 및 냉각 솔루션의 중요성

CPO는 고성능 스위치 ASIC과 광학 부품을 좁은 공간에 밀집시키기 때문에 열 밀도(Heat Density) 문제가 매우 심각하다. 특히 광학 부품 중 레이저는 온도 변화에 매우 민감하여 효율과 파장이 쉽게 변할 수 있다. 이를 해결하기 위해 액체 냉각(Liquid Cooling) 기술 적용이 활발하게 연구되고 있다. 2025년 공개되어 2026년 제공 예정인 엔비디아의 Quantum-X Photonics (Infiniband Photonics)와 Spectrum-X (Ethernet Phtonics)에는 액체냉각이 적용될 계획이다.

 Mikros Technologies의 MikroMatrix 플랫폼과 같은 마이크로 채널 냉각 시스템은 열을 표면 수직 방향으로 효율적으로 방출하며, 이는 공랭식 시스템 대비 훨씬 높은 열 방출 효율을 제공한다. 또한, 중국 과학원(IMECAS)의 연구에 따르면 액체 냉각 시스템을 적용할 경우 51.2 Tbps급 CPO 장비에서 발생하는 고발열을 효과적으로 제어하여 신호 간섭을 방지할 수 있음이 입증되었다.   

 

글로벌 시장 전망 및 주요 동향

 CPO 시장은 하이퍼스케일러들의 AI 인프라 투자 규모에 따라 폭발적인 성장이 예상된다. Yole Group은 CPO 시장이 2024년 4,600만 달러에서 2030년 81억 달러로 성장하며 연평균 성장률(CAGR) 137%를 기록할 것으로 전망했다. 한편, IDTechEx는 2036년까지 CPO 시장이 200억 달러를 초과할 것으로 예측하며, 그중 네트워크 스위치 분야가 매출의 상당 부분을 차지할 것으로 보았다. 이러한 성장은 51.2T 및 차세대 102.4T 스위치 아키텍처 도입 시점과 맞물려 있다. 800G 및 1.6T 플러그형 모듈이 현재 시장을 주도하고 있으나, 전면 패널의 공간 제약과 열 발산 한계로 인해 1.6T 이상의 속도에서는 CPO로의 전환이 가속화될 것이다.   

CPO 공급망은 반도체 파운드리, 광학 소자 제조사, 패키징 전문 기업(OSAT), 그리고 최종 시스템 통합 업체로 구성되는 복잡한 생태계를 형성하고 있다.   

구분	주요 플레이어	역할
시스템/칩셋 (Systems/ASIC)	NVIDIA, Broadcom, Marvell, Cisco	CPO 아키텍처 설계 및 스위치 ASIC 공급
광학 엔진 (Optical Engines)	Coherent, Ayar Labs, Intel, Ranovus	실리콘 포토닉스 PIC 및 EIC 제조
파운드리 (Foundries)	TSMC, Intel Foundry, GlobalFoundries	첨단 공정 기반의 웨이퍼 제조 및 SiPh 플랫폼 제공
패키징/조립 (OSAT/Assembly)	ASE, Amkor, Foxconn, Celestica	2.5D/3D 첨단 패키징 및 시스템 조립
광섬유/커넥터 (Connectivity)	Corning, Senko, US Conec	고밀도 광섬유 연결 솔루션 제공

 

Broadcom (브로드컴)

브로드컴은 데이터센터 네트워킹 시장의 지배력을 바탕으로 CPO 기술에서도 가장 앞선 상용화 이정표를 제시하고 있다.

• TH6-Davisson: 브로드컴의 3세대 CPO 기술이 적용된 51.2 Tbps 이더넷 스위치로, 기존 플러그형 솔루션 대비 전력 소모를 최대 70%까지 절감하며 신뢰성을 개선했다.
• Bailly 플랫폼: 단일 패키지 내에 8개의 6.4T 광학 엔진을 통합하여 51.2T 대역폭을 구현했다. 이는 다이 가장자리 1mm당 1Tbps의 전송 밀도를 달성한 것으로, 물리적 공간 효율성을 극대화한 사례다.
• Scale-Up Ethernet (SUE): 브로드컴은 엔비디아의 인피니밴드에 대응하기 위해 개방형 이더넷 기반의 스케일업 아키텍처를 주도하고 있으며, 이를 통해 AI 클러스터 내 인터커넥트 시장을 공략하고 있다.

NVIDIA (엔비디아)

엔비디아는 광 인터커넥트 기술을 자체 GPU 생태계의 핵심 확장 도구로 활용하고 있다.

• Quantum-X 및 Spectrum-X Photonics: GTC 2025에서 공개된 이 플랫폼들은 인피니밴드와 이더넷 환경 모두에서 CPO를 지원한다. TSMC의 COUPE 기술을 활용하여 65nm PIC와 EIC를 적층함으로써 1.6 Tbps급 포트 속도를 구현한다.
• NVFusion 전략: 마벨, 미디어텍 등 파트너사에게 NVLink 기술을 개방하여 커스텀 AI 칩 생태계를 확장하고 있으며, 이를 통해 자사 플랫폼 내의 광 연결 표준을 강화하고 있다.
• 수직 계열화: 멜라녹스(Mellanox) 인수를 통해 확보한 광학 기술력을 바탕으로 레이저 소스부터 스위치 알고리즘까지 전 과정을 최적화하여 AI 가속기 클러스터의 효율을 높이고 있다.

Marvell (마벨)

마벨은 하이퍼스케일 데이터센터의 다양한 요구사항에 맞춘 커스텀 ASIC 및 광학 솔루션을 제공하는 데 집중하고 있다. 최근 마벨은 Celestial (셀레스티얼 AI)를 인수했는데, SerDes 및 DSP 역량을 기반으로 패키지 외부 통신에 강점이 있던 현재 상황에서 패키지 내에 광 연결 (CPO) 역량을 보강하기 위한 것으로 풀이된다.

• CPO 로드맵: 마벨은 2027년 CPO 샘플링을 시작할 계획이며, Celestial AI의 기술도 공정적으로 다듬어야 할 부분이 있기 때문에, 추가 개발을 통해 CPO 제품에 기술력을 녹여낼 것으로 보인다.
• ESUN 및 UALink: 인피니밴드에 대항하는 개방형 표준인 UALink 스위치를 2026년 하반기에 샘플링할 예정이며, 이를 통해 스케일업 및 스케일아웃 네트워크 전반에서 리더십을 확보하려 한다.
• 고밀도 서버 트레이: 1U 트레이 내에 1,152개의 광섬유를 수용하는 CPO 서버 트레이 참조 설계를 공개하며, 구리로는 도달할 수 없는 전송 밀도를 입증했다.

Intel (인텔)

인텔은 10년 이상 실리콘 포토닉스 기술을 연구해 왔으며, 자사 파운드리 서비스를 통해 CPO 생태계를 지원하고 있다.

• 통합 레이저 기술: 인텔은 실리콘 웨이퍼 위에 인듐 포스파이드(InP) 레이저를 직접 성장시키는 기술을 통해 외부 레이저 소스 없이도 고효율 광전 변환이 가능한 솔루션을 개발해 왔다.
• 테라비트급 인터커넥트: 제온(Xeon) 프로세서와 가속기 간의 고속 통신을 위해 칩렛 형태의 광학 I/O를 개발하여 미래형 AI 컴퓨팅 아키텍처를 선도하려 한다.

 이외에도 위에 빨간 표시를 한 것처럼 TSMC, Corning, Coherent 등 다양한 기업들이 커다란 Value Chain에서 연구 개발을 이어가고 있다. TSMC는 COUPE을 통해 기존 칩 파운드리 사업 뿐만 아니라, 광 관련 패키지 까지 함께 제공하고 있으며, 빛이 흐르는 광섬유를 제공하는 Corning, 칩에서 나온 신호를 광으로 전환/제어하는 EIC/PIC 세트 (광엔진)를 개발하는 Ayar Labs 등이 모두 주목해야 할 기업이다. Ayar Labs 같은 경우, 엔비디아, Intel, AMD 등의 투자를 받았다는 점을 주목해볼만 하다.

 

Ayar Labs

  2015년 설립된 Ayar Labs는 '광 I/O(Optical Input/Output)'라는 개념을 통해 칩 간 통신의 패러다임을 전기에서 빛으로 전환하는 데 주력해 왔다. Ayar Labs의 컨셉은 복잡하고 값비싼 광학 소자를 기존 CMOS 공정을 이용해 경제적으로 생산하고, 이를 표준화된 칩렛(Chiplet) 형태로 제공하여 누구나 쉽게 고성능 광 인터커넥트를 구현할 수 있도록 하는 것이다. 이는 마치 레고 블록처럼 프로세서 설계자가 필요에 따라 광 입출력 기능을 추가할 수 있게 함으로써, 폐쇄적인 생태계가 아닌 개방형 생태계를 지향한다.

 Ayar Labs의 기술 포트폴리오는 크게 데이터 전송을 담당하는 TeraPHY 칩렛과 광원을 공급하는 SuperNova로 구성된다. TeraPHY는 전기적 신호를 광 신호로 변환하거나 그 반대의 역할을 수행하는 모놀리식 실리콘 포토닉스 다이(Die)이다. 2025년 기준, Ayar Labs는 업계 최초로 UCIe(Universal Chiplet Interconnect Express) 표준을 지원하는 광 칩렛을 공개하며, 단일 칩렛당 8 Tbps라는 양방향 대역폭을 달성했다.

이 칩렛의 가장 큰 특징은 전력 효율성과 지연 시간(Latency)의 획기적인 개선이다. 기존의 플러거블 광 모듈이 리타이머와 DSP(Digital Signal Processor)를 사용하여 높은 전력을 소모하는 것과 달리, TeraPHY는 호스트 SoC(System on Chip)와 초단거리 전기적 링크로 연결되어 별도의 DSP 없이도 신호를 처리할 수 있다. 이는 전체 시스템의 소비 전력을 기존 대비 최대 8배까지 절감하고, 지연 시간을 10배 이상 단축하는 결과를 가져온다. 또한, UCIe 표준의 채택은 Intel, NVIDIA, AMD 등 서로 다른 벤더의 칩들과의 상호운용성을 보장하여, 특정 파운드리나 아키텍처에 종속되지 않는 범용성을 확보했다는 점에서 큰 의미를 갖는다. 

 SuperNova 원격 광원(Remote Light Source)

실리콘 포토닉스의 난제 중 하나는 레이저 광원의 열 관리이다. 레이저는 고온에 취약하여 수명이 단축되는데, 이를 발열이 심한 GPU나 ASIC 패키지 내부에 통합하는 것은 신뢰성 문제를 야기한다. Ayar Labs는 이를 해결하기 위해 광원을 패키지 외부로 분리한 SuperNova를 개발했다.

SuperNova는 세계 최초의 CW-WDM MSA(Continuous-Wave Wavelength Division Multiplexing Multi-Source Agreement) 규격을 준수하는 광원이다. 이 장치는 최대 16개의 서로 다른 파장을 생성하여 단일 광섬유를 통해 전송함으로써 대역폭 밀도를 극대화한다. 광원을 외부 모듈로 분리함으로써, 데이터 센터 운영자는 시스템 가동 중단 없이 광원 모듈만을 교체할 수 있게 되어 유지보수의 편의성을 크게 높였다. 이는 수천 대의 서버가 24시간 가동되는 하이퍼스케일 데이터 센터 환경에서 필수적인 요구사항이다.   

2025년 4월, Ayar Labs는 '탈부착 가능한 광 커넥터(Detachable Optical Connector)' 생태계를 발표했다. 이는 CPO 기술이 실험실을 벗어나 실제 데이터 센터에 배치되기 위해 반드시 넘어야 할 산인 '현장 유지보수성(Field Serviceability)' 문제를 해결한 것이다. 과거 CPO는 광섬유가 패키지에 영구적으로 부착되어 있어, 광섬유 손상 시 고가의 프로세서 패키지 전체를 폐기해야 하는 위험이 있었다. 그러나 탈부착 가능한 커넥터 기술의 개발로 이러한 리스크를 제거하고, 유연한 배포와 유지보수가 가능해졌다. 이는 Alchip 및 TSMC와의 협력을 통해 차세대 패키징 기술에 통합되었으며, 대량 생산을 위한 준비가 완료되었음을 시사한다.

 

대한민국 CPO 및 광통신 기술 경쟁력 분석

 한국은 정부 주도의 연구 개발 과제를 통해 CPO 핵심 기술 자립화를 추진하고 있다. 특히 한국전자통신연구원(ETRI)은 국내 광 OSAT 생태계 구축을 목표로 대규모 프로젝트를 수행 중이다.

• 2.5D 광패키징 CPO 과제: 5년간 약 100억 원의 예산을 투입하여 3.2 Tbps 및 6.4 Tbps급 실리콘 포토닉스 PIC와 이를 구동할 EIC를 개발하고 있다. 이 프로젝트에는 한양대학교, 서울과학기술대학교 및 포인투테크놀로지(Point2 Technology) 등이 협력하고 있다.
• TGV(Through Glass Via) 기술: 유리 기판을 활용한 인터포저 공정을 통해 기존 실리콘 인터포저 대비 낮은 비용과 우수한 전기적 특성을 확보하려는 시도를 하고 있다.
• 성능 목표: 비트당 전력 소모를 $3pJ/bit$ 이하로 낮추고, 400mW급 고출력 외부 광원(ELS)을 구현하여 글로벌 수준의 기술력을 확보하는 것을 목표로 한다.

삼성전자 및 SK하이닉스의 전략적 대응

메모리 분야의 세계적 리더인 삼성전자와 SK하이닉스는 CPO를 차세대 메모리 대역폭 확장 솔루션인 CXL(Compute Express Link)과 연계하고 있다.

• 삼성전자: 2027년 광반도체 상용화를 목표로 파운드리와 패키징 역량을 결집하고 있다. 특히 CXL 기반 D램 컨트롤러와 광 인터커넥트를 통합하여 AI 서버의 메모리 용량과 처리 속도를 획기적으로 개선하려는 전략을 추진 중이다.
• SK하이닉스: HBM(High Bandwidth Memory)의 데이터 전송 한계를 극복하기 위해 실리콘 포토닉스 기반의 패키징 기술을 연구하고 있다. 이는 '포토닉스 시대'의 주도권을 잡기 위한 강력한 의지로 풀이된다.

국내 주요 중소기업 및 전문 업체 동향

국내에는 광소자, 패키징 장비, 계측 분야에서 독보적인 기술을 보유한 강소기업들이 CPO 생태계를 뒷받침하고 있다.

기업명	핵심 경쟁력 및 관련 활동
오이솔루션 (OE Solutions)	국내 최초 코히어런트 트랜시버용 ITLA 국산화 성공, CPO 플랫폼 확장 가능성 확보
한미반도체	광반도체 및 실리콘 포토닉스 제조 공정에 필요한 첨단 장비 공급
나인테크	FO-PLP(Fan-Out Panel Level Package) 기반의 실리콘 포토닉스 패키징 기술 보유
켐옵틱스	국내 유일의 광통신용 폴리머 제조사로, 가변 광감쇠기 및 CPO용 소재 생산
파이버프로	광섬유 계측 및 센싱 솔루션을 글로벌 빅테크 기업에 공급
퀄리타스반도체	초고속 인터페이스 IP 설계 역량을 바탕으로 광반도체 분야 진출

 오이솔루션은 특히 ECOC 2025에서 차세대 ITLA 모듈을 공개하며, 실리콘 포토닉스 기반 모노리딕 광집적회로와 InP 레이저를 결합하는 이종 집적 기술력을 입증했다. 이는 향후 글로벌 GPU 클러스터 확장 시점에 맞춰 에너지 효율적인 CPO 솔루션을 제공하는 기반이 될 것이다.

ELSFP (External Laser Small Form-factor Pluggable)

 CPO의 핵심 난제인 '칩에서 나오는 열이 온도 변화를 일으키고, 레이저 소스가 이에 취약하다.'라는 점을 해결하기 위해, 광엔진은 ASIC 옆에 두고, 레이저는 밖으로 빼는 방법이 적용되고 있다. 레이저 소스의 유지보수 문제를 해결하기 위해 도입된 ELSFP 표준은 매우 중요하다.

• 개념: 레이저를 ASIC 패키지 외부, 즉 시스템의 전면 패널에 장착하여 열 발생을 분산시키고 고장 시 즉시 교체(Hot-swap)가 가능하게 하는 방식이다.
• 장점: 시스템의 가장 차가운 부분에 레이저를 배치함으로써 신뢰성을 높이고, 하나의 외부 레이저가 여러 개의 광학 엔진에 광원을 공급할 수 있게 하여 효율성을 극대화한다.
• 현황: OIF-ELSFP-01.0 및 02.0 버전이 잇따라 발표되었으며, 시스코(Cisco), 라노버스(Ranovus) 등 주요 기업들이 이를 지원하는 제품을 시연하고 있다.

 

Conclusion

 결론적으로, CPO(Co-Packaged Optics)는 AI 인프라의 물리적 한계인 '구리 장벽'을 돌파할 유일한 기술적 대안으로 자리 잡았다. Ayar Labs의 범용 광 I/O 칩렛과 Celestial AI의 혁신적인 포토닉 패브릭 아키텍처, 그리고 이를 실현하는 TSMC의 COUPE 패키징 공정은 2026년을 기점으로 본격적인 상용화 단계에 진입한다. 특히 Marvell의 Celestial AI 인수는 CPO 기술이 단순한 연구 단계를 넘어 거대 자본이 투입되는 핵심 산업으로 부상했음을 증명하며, AWS와 같은 하이퍼스케일러들의 강력한 지지를 받고 있다. 이러한 기술적 전환은 데이터 센터의 전력 효율과 대역폭 밀도를 획기적으로 개선하여, 100MW급 AI 팩토리의 실현을 가능케 할 것으로 보인다. 실리콘 포토닉스는 AI의 폭발적 성장을 지속 가능하게 만드는 미래 반도체 산업의 가장 확실한 게임 체인저로, 관련된 국내외 업체들을 열심히 소싱할 계획이다.