실리콘 포토닉스 CPO, AI 데이터센터가 구리를 버리고 빛을 선택하는 이유

AI 클러스터의 대역폭·전력 수요가 구리 인터커넥트의 물리적 한계에 부딪히면서, 실리콘 포토닉스 기반 광 집적 패키징(CPO, Co-Packaged Optics)이 차세대 표준으로 떠오르고 있다. TSMC는 COUPE(Compact Universal Photonic Engine) 플랫폼을 2026년 안에 양산 단계로 끌어올리겠다고 공식화했고, Samsung은 2027년 광 엔진, 2029년 CPO 턴키 서비스로 이어지는 로드맵을 내놨다.

실리콘 포토닉스와 CPO가 가리키는 것

실리콘 포토닉스는 실리콘 CMOS 공정 위에 광도파로·변조기·검출기를 집적해 광 신호로 데이터를 전송하는 기술이다. CPO는 이 광 엔진을 스위치나 가속기 ASIC 바로 옆에 공통 패키지로 집적하는 아키텍처를 가리키며, 플러그인 트랜시버를 제거하는 것이 핵심이다. TSMC의 COUPE는 이 CPO 구현을 위한 자체 플랫폼 브랜드로, SoIC-X 3D 적층 기술을 활용해 전자(electronic) 다이를 포토닉스 다이 위에 직접 배치한다. 목표는 명확하다 — AI 클러스터의 대역폭 한계 돌파, 전력 효율 50% 이상 개선, 광 신호 지연 최소화.

TSMC COUPE: 3D 적층으로 빛과 전자를 한 패키지에

COUPE의 핵심은 전자 다이를 포토닉스 다이 위에 수직으로 본딩하는 SoIC-X 기반 3D 적층 구조다. 다이-투-다이 계면의 임피던스를 극도로 낮춰, 전통적인 병렬 배치 대비 전력 효율에서 우위를 가져간다.

로드맵은 두 단계로 나뉜다. COUPE-1은 초기 플러그어블 폼팩터로 2025년 SFF(Small Form Factor Pluggable) 자격 인증을 목표로 하며 기존 QSFP-DD/OSFP와 호환된다. COUPE-2는 2026년 CoWoS 기반 CPO 통합 양산으로, 스위치 ASIC과 광 엔진을 동일 기판에 집적한다.

양산 일정은 2025년 말 엔지니어링 샘플과 플러그어블 모듈 인증, 2026년 상반기 파일럿 라인 가동과 초기 고객 샘플 출하, 2026년 하반기 본격 양산(HVM)으로 이어진다. 이 시점에 Nvidia Spectrum-X Photonics 스위치 탑재가 예상된다. 2027년 이후는 1.6T·3.2T급 차세대 CPO로 대역폭이 확장될 전망이다.

Samsung의 추격: 수직 통합이라는 다른 카드

연도	기술 단계	핵심 내용
2026	PDK 공개	300mm 웨이퍼 기반 실리콘 포토닉스 파운드리 오픈
2027	광 엔진 양산	열압착 본딩(thermo-compression bonding) 기반 광 엔진 출시
2028	하이브리드 본딩	파인 피치(fine-pitch) 패키징, 고밀도 광 I/O
2029	CPO 턴키	HBM + 파운드리 + 어드밴스드 패키징 + SiPh 통합 서비스

Samsung의 전략적 차별점은 HBM·메모리·파운드리·패키징·SiPh를 수직 통합해 제공할 수 있다는 데 있다. TSMC가 HBM을 외부 공급받아야 하는 구조와 대비되는 지점이다.

CPO가 신호 경로를 어떻게 바꾸는가

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기존 플러그어블 방식은 스위치 ASIC에서 PCB를 거쳐 구리로 장거리 전송한 뒤 QSFP-DD/OSFP 모듈에서 광섬유로 넘어간다. CPO는 스위치 ASIC과 광 엔진을 같은 패키지에 배치해 구리 배선 구간을 거의 제거한다. 그 결과 고속화에 따른 전력 페널티, 특히 112G/224G SerDes 구간의 손실이 대폭 완화된다.

도파로에서 검출기까지, 광 신호의 경로

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광 변조기(Mach-Zehnder, Ring Modulator)는 전기 신호를 광의 위상·강도로 변환한다. SOI 기반 실리콘 도파로는 굴절률 차이를 이용해 광을 속박한 채 전송하고, 그레이팅 커플러가 수직 방향으로 광섬유와 칩을 결합한다. 저마늄 광검출기는 광을 다시 전기 신호로 복조하며, FAU(Fiber Array Unit)는 다중 광섬유를 정밀하게 정렬하는 역할을 맡는다 — 이 FAU 정렬이 패키징 난제 중 하나로 꼽힌다.

왜 지금 전환이 시작됐는가

전환을 밀어붙이는 요인은 네 가지로 정리된다. GPU당 광 I/O 수요가 3.2T~~6.4T 수준으로 진입한 대역폭 폭증, 1MW급 랙 구성에서 CPO가 W/Gbps 기준 40~~60% 절감을 가능케 하는 전력 제약, MoE·추론 워크로드의 올투올 통신 집약도가 요구하는 지연 민감도, 그리고 224G PAM4 SerDes의 채널 손실이 30dB를 넘어서면서 PCB 라우팅이 한계에 다다른 구리의 물리적 제약이다.

Nvidia는 이 흐름에 맞춰 두 개의 포토닉스 스위치 라인을 준비하고 있다. AI 팩토리 전용 Quantum-X Photonics(InfiniBand)는 2025년 3월 발표됐고, Spectrum-X Photonics(Ethernet)는 2026년 TSMC 포토닉스 생태계를 기반으로 출시된다. 설계 파트너로는 TSMC를 비롯해 Coherent, Browave, Fabrinet, Foxconn, Lumentum, SENKO, SPIL, TFC 등이 공동 생태계를 이루고 있다.

기대 효과와 도입 전 점검할 것들

비즈니스 측면에서는 전력 비용 30~40% 감소와 랙 밀도 2배 확장을 통한 데이터센터 TCO 절감, 100K GPU급 클러스터를 구현할 수 있는 네트워크 토폴로지, 플러그어블 트랜시버 유지보수 부담 감소가 꼽힌다. 기술적으로는 Tb/s/mm² 수준의 실장 밀도, EMI·채널 감쇠에 강건한 신호 무결성, WDM으로 단일 섬유에 수 Tb/s를 다중화할 수 있는 스케일아웃 유연성이 이점이다.

다만 도입을 검토한다면 몇 가지는 짚어야 한다. 광 BIST(Built-in Self Test) 같은 웨이퍼 레벨 테스트 인프라, 광섬유를 수동 정렬에서 능동 정렬로 옮기는 FAU 집적 공정, 그리고 양산 수율을 좌우하는 고속 광 패키징 어셈블리가 TSMC가 직접 꼽은 3대 과제다. 여기에 III-V 레이저를 이종 집적(heterogeneous integration)할지에 대한 전략 결정, CPO 얼라이언스·OIF 스펙·UCIe 광 확장 같은 표준화 동향, Samsung·UMC·IMEC 등 대체 파운드리를 통한 단일 벤더 리스크 분산까지 고려 대상에 들어간다.

패권을 쥘 파운드리는 어디인가

TSMC COUPE의 2026년 양산 진입은 AI 데이터센터 인터커넥트가 구리에서 광으로 넘어가는 전환점이다. Nvidia의 Spectrum-X Photonics 출시와 맞물려 CPO 생태계가 빠르게 형성되고 있고, Samsung도 2029년 턴키 CPO로 추격을 준비하고 있다. 앞으로 2~3년간 FAU 정렬 자동화, 웨이퍼 레벨 테스트, III-V 이종 집적이 양산 수율을 가르는 변수가 될 것이고, 이 기술을 먼저 확보하는 파운드리가 차세대 AI 인프라 공급망의 주도권을 쥐게 된다.