반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

인텔은 인텔 랩스 데이(Intel Labs Day)에서 저비용 대용량 실리콘과 포토닉스를 집적하는 업계 선도적인 기술을 선보였다. 인텔이 오랜 기간 연구해온 본 기술은 데이터 센터 네트워크 트래픽 상에서 컴퓨팅 자원을 많이 필요로 하는 데이터 워크로드가 증가함에 따라 전기 입출력(I/O) 성능 확장에 대한 과제를 해결하는 등 광학 상호 연결 분야에서의 상당한 발전을 의미한다. 인텔은 이번 발표를 통해 소형화 등 핵심 기술을 발전시켰으며, 광학 및 실리콘 기술을 보다 촘촘하게 집적하는 방법을 제시했다.

제임스 야우시 (James Jaussi), 인텔 PHY 랩 디렉터 겸 시니어 수석 엔지니어는 “현재 저희들은 성능 확장에 걸림돌이 되고 있는 I/O 성능 장벽과 I/O 대역폭 격차 문제를 연구하고 있다. 인텔이 달성하고 있는 집적 포토닉스 분야에서의 빠른 발전을 통해 빛으로 연결된 데이터 센터와 아키텍처에 대한 인식이 완전히 변화될 것이다. 인텔은 상보형 금속 산화 반도체 (CMOS) 실리콘과 긴밀하게 집적된 하나의 실리콘 플랫폼에서 모든 중요한 광학 기술 구성 요소를 선보일 수 있게 됐다. 이번 연구로 인텔은 비용, 전력, 크기 등에 관한 문제를 체계적으로 극복하고 서버 패키지에 광학 상호작용의 혁신적인 힘을 제공할 수 있다”고 말했다.

매일 서버 사이를 이동하는 데이터의 양이 지속적으로 증가함에 따라 네트워크 인프라에 부담이 늘어나고 있으며 이로 인해 새로운 데이터 중심 워크로드가 증가하고 있다. 컴퓨팅에 대한 대역폭 수요가 계속 증가하는 반면 전기적인 I/O 역량은 이를 따라잡을 수 없어 컴퓨팅 작업에 사용할 수 있는 성능을 제한하는 “I/O 성능 장벽”이 생성된다. 즉, 업계는 전자적인 I/O 성능의 실질적인 한계에 빠르게 봉착하고 있다. 광자 I/O를 서버와 패키지에 직접 도입함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있으며, 데이터가 보다 효율적으로 이동할 수 있다.

인텔은 온라인으로 개최한 인텔 랩스 데이에서 집적 포토닉스 연구에 필수적인 핵심 기술 구성 요소 발전 사항을 소개했다. 빛 발생, 증폭, 탐지, 변조, CMOS 인터페이스 회로, 패키지 통합 등의 구성 요소들은 집적 포토닉스 달성을 위한 필수적인 요소다. 인텔이 공개한 프로토타입은 포토닉스와 CMOS 기술이 긴밀하게 결합돼 있으며, 향후 핵심 컴퓨팅 실리콘과 광학 포토닉스를 통합하는 개념증명(PoC)의 역할을 했다. 

아울러, 인텔은 기존 부품 대비 1,000배 작은 마이크로링 변조기(micro-ring modulators)도 선보였다. 기존 실리콘 변조기의 큰 크기와 비용은 10대가량의 통합이 필요한 서버 패키지에 광학 기술을 도입하는 데 장애물이 돼 왔다. 이번 발표는 네트워크 상위 계층을 넘어 서버 내부와 미래의 서버 패키지에서도 실리콘 포토닉스를 사용할 수 있는 길을 제시하는 결과다.

새롭게 공개된 핵심 기술 구성 요소는 아래와 같다:

• 마이크로링 변조기: 기존의 실리콘 조절기는 공간을 너무 많이 차지하며 IC 패키지 통합에 많은 비용이 든다. 인텔은 마이크로링 변조기를 통해 기존 대비 1,000배 이상으로 크기를 축소함으로써 실리콘 포토닉스를 기존 컴퓨팅 패키지에 통합할 때 발생하는 문제를 해결했다.
• 전체 실리콘 광 검출기(photodetector): 지난 수십 년 동안 반도체 업계는 실리콘이 사실상 빛 감지 능력이 없다고 믿어왔으나, 인텔은 그렇지 않다는 것을 증명하는 연구를 선보였다. 이번 연구의 주요 성과는 비용이 상당히 감소했다는 점이다.
• 통합 반도체 광학 증폭기: 총 전력 소비량을 줄이는 데 초점을 맞추어 온 인텔은 통합 레이저에 사용되는 동일한 재료로 통합형 반도체 광학 증폭기 제작이 가능하다.
• 통합 다중 파장 레이저: 파장 분할 멀티플렉싱(wavelength division multiplexing)이라 불리는 기법을 사용하면 같은 레이저에서 분리된 파장을 사용해 같은 광선에 더 많은 데이터를 전달할 수 있다. 이를 통해 단일 광섬유를 통해 추가 데이터를 전송할 수 있어 대역폭 밀도가 증가한다.
• 통합: 첨단 패키징 기법을 통해 실리콘 포토닉스와 CMOS 실리콘을 촘촘히 통합함으로써 (1) 전력 감소 (2) 대역폭 증가 (3) 핀 카운트 감소 등 3가지 이점을 얻을 수 있다. 인텔은 CMOS 실리콘과 긴밀하게 통합된 단일 기술 플랫폼에서 통합 다파장 (multi-wavelength) 레이저와 반도체 광 증폭기, 완전 실리콘 광 검출기, 마이크로링 변조기 등을 시연할 수 있다. 이번 연구는 집적 포토닉스를 다양한 규모의 시스템에 적용할 수 있는 가능성을 제시했다.

 인텔은 이번 발표를 통해 빛을 연결 기술 기반으로 활용하기 위한 인텔의 목표 달성을 위한 진전을 이루어냈다. 이번 연구 결과는 컴퓨팅, 메모리, 가속기, 주변 장치와 같은 다중 기능 요소가 전체 네트워크에 퍼져 있고, 광학 및 소프트웨어를 통해 고속 및 저 지연 연계로 상호 연결되어 있는 미래 아키텍처 등 많은 가능성을 제시한다.