사진=연합뉴스


미래 인공지능(AI) 반도체 시장의 ‘게임체인저’로 꼽히는 실리콘 포토닉스 시장을 잡기 위해 삼성전자가 대만 TSMC에 도전장을 내밀었다. 실리콘 포토닉스는 빛의 강도와 파장을 이용해 정보를 전송하는 기술이다. 속도가 빠른 데다 열이 덜 나고 전기 소모도 적어 미래 반도체 시장의 판도를 바꿀 기술로 꼽힌다. 
30일 업계에 따르면 삼성전자 디바이스솔루션(DS)부문은 실리콘 포토닉스를 미래 핵심 기술로 선정하고, 싱가포르에 세운 전담 연구개발(R&D)센터에서 경력직 전문가 채용에 릴박스 들어갔다. TSMC 출신인 킹-지엔 추이 부사장이 이끄는 싱가포르 R&D센터는 남석우 파운드리사업부 최고기술책임자(CTO·사장)가 지휘하는 본사 기술개발실과 손발을 맞춰 기술 고도화 작업을 진행하고 있다.
반도체 기업들이 실리콘 포토닉스에 꽂힌 것은 AI 반도체의 전송 속도를 높이는 동시에 발열 및 전력 소모량을 떨어뜨리기 위해서다. 구리 바다이야기게임장 배선에 데이터 정보를 싣는 기존 반도체와 달리 실리콘 포토닉스는 정보를 빛에 담은 뒤 광섬유(웨이브 가이드)로 이동시킨다. 저항이 거의 없어 전송 속도가 빠를 뿐 아니라 발열과 전력 소모량도 훨씬 적다. 이런 장점을 간파한 엔비디아, AMD, 인텔 등은 각각 개발에 나서 TSMC와 위탁생산 계약을 맺었다. 삼성도 이른 시일 안에 기술력을 끌어올려 고객사 릴게임몰 유치에 나설 계획이다.
업계 관계자는 “AI 서버에 이어 개별 칩에도 적용되는 2030년 이후에는 실리콘 포토닉스 기술력이 파운드리 시장의 경쟁력을 가를 것”이라고 말했다. 시장조사업체 모도인텔리전스는 실리콘 포토닉스 시장이 2030년 103억달러(약 15조원) 규모로 커질 것으로 내다봤다.


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 반도체 '게임체인저' 실리콘 포토닉스CPO는 최첨단 미세기술 집합체…삼성 '반격 기지' 싱가포르 선택
10여 년 전만 해도 실리콘 포토닉스는 이론에 불과했다. 레이저로 만든 빛에 전기신호를 넣어야 하고, 그 빛의 상태 변화로 전기신호를 0과 1로 표현해야 하며, 빛을 전선 대신 실리콘 광도파로(웨이브 가이 10원야마토게임 드)에 실어 옮긴 뒤 다시 수신단에서 전기신호로 바꿔야 하는데, 어느 것 하나 쉽지 않아서다.
하지만 대규모 데이터를 빠르게 처리해야 하는 인공지능(AI) 반도체 시장이 열리면서 엔비디아, AMD 등 글로벌 반도체 설계회사들은 이 기술에 매달렸다. 기술만 손에 넣으면 구리 배선의 한계인 느린 속도, 발열, ‘전기 먹는 하마’ 문제를 한꺼번에 해결할 수 있어서다. 이르면 내년부터 AI 서버용 칩을 시작으로 실리콘 포토닉스가 적용된다. 이들 기업이 맡긴 설계도를 구현하는 역할을 맡은 파운드리업계에도 신시장이 열린 것이다.
 고속도로 위에 까는 KTX
실리콘 포토닉스는 반도체의 주재료인 실리콘과 광학을 뜻하는 포토닉스를 결합한 말이다. 실리콘은 빛을 가두는 성질인 굴절률이 높은 소재다. 빛이 흐를 수 있는 초미세 통로를 뚫어 놓으면 빛이 통로를 빠져나가지 못하기 때문에 데이터를 정확하게 전송할 수 있다. 구리 배선과 달리 저항이 없는 빛으로 데이터를 전송하는 만큼 빠르고 효율적이다. 데이터 전송 단위가 기존 기가바이트(GB)에서 1000배 이상인 테라바이트(TB)로 바뀔 정도다.
신기술이 대거 들어간다. 데이터가 담긴 빛을 웨이브 가이드에 효과적으로 싣기 위해 고성능 렌즈를 칩과 빛의 경계 지점에 달아야 한다. 칩 안에 들어온 빛을 0 또는 1의 디지털 신호로 구분해 주는 ‘공진기’라는 장치도 필요하다. 공진기를 거쳐 빛 신호 구별이 끝나면, 이걸 다시 전기신호로 바꿔 바깥으로 전달해야 한다. 빛을 활용한 ‘최첨단 미세 기술의 집합체’인 셈이다.
상용화에 처음 성공한 회사는 인텔이다. 2016년 멀리 떨어져 있는 서버들이 빛으로 대화할 수 있도록 해주는 장치인 ‘트랜시버’ 안에 실리콘 포토닉스를 구현하는 데 성공했지만 시장성이 떨어져 큰 주목은 받지 못했다.
잊힌 실리콘 포토닉스를 다시 살린 것은 AI 붐이다. AI 반도체의 3대 문제인 느린 속도, 발열, 높은 전력 소모량을 다 잡을 유일한 기술이어서다. 최신 AI 모델을 구현하려면 수백억 개의 숫자값(파라미터)이 필요한데, 전통적인 구리 배선에서는 도로 위 교통 체증처럼 병목현상이 심해진다. 고대역폭메모리(HBM)가 차로를 대폭 늘려서 병목현상을 해소하는 방식이었다면, 실리콘 포토닉스는 이 도로 위에 KTX를 까는 셈이다.
 CPO 기술 통해 진화
최근 들어 최첨단 패키징 기술(여러 칩을 한 칩처럼 작동하게 하는 기술)이 빠르게 발전하면서 실리콘 포토닉스 설계도도 달라졌다. 서버 외부에 붙이던 빛 전송 처리장치인 트랜시버를 반도체 기판 위에 얹은 것이다. ‘코-패키지 옵틱스(CPO)’로 불리는 기술이다. CPO를 도입하면서 서버에 들어오는 빛과 연산 칩을 연결하는 구리 배선이 사라지고, 빛과 칩 간 거리가 짧아진다. TSMC는 “내년 기술이 상용화하면 전통적인 방식보다 데이터 전송 속도가 10배 올라가고 전력 소모량은 절반으로 낮아질 것”이라고 밝혔다.
완성된 기술은 아니다. CPO는 트랜시버보다 난도가 높다. 온도에 민감한 빛의 성질에서 첫 번째 난관이 출발한다. 문제가 생기면 수천만원짜리 AI 반도체를 통째로 들어내야 하는 것도 문제다. 그만큼 제대로 설계해야 한다는 의미다.
CPO 시장의 선두주자는 TSMC다. 최대 고객 중 한 곳인 엔비디아가 실리콘 포토닉스 기술 개발에 적극적인 덕분이다. 젠슨 황 엔비디아 최고경영자(CEO)는 지난 3월 개발자 콘퍼런스 ‘GTC 2025’에서 “트랜시버 비용이 안 드는 데다 전기 사용량도 감소하는 만큼 데이터센터 기업의 비용이 획기적으로 절감될 것”이라고 실리콘 포토닉스를 적용한 스위치 칩을 소개했다. TSMC는 기술력을 끌어올리기 위해 아야르랩스, 셀레스티얼AI, 라이트매터 등 미국 실리콘밸리의 유니콘 기업(기업가치 10억달러 이상 스타트업)과 손발을 맞추고 있다.
 반격 나선 삼성전자
삼성전자도 총력전을 준비하고 있다. 한국을 중심으로 싱가포르 인도 미국 일본 등지에 구축한 글로벌 연구개발(R&D) 네트워크를 총동원해 실리콘 포토닉스 기술 개발에 나선 것이다. 삼성은 최근 실리콘 포토닉스 개발을 주도하는 이강호 상무를 부사장으로 승진 발령했고, 인텔에서 CPO를 연구한 박현대 마스터 등도 영입했다.
반도체업계는 삼성의 싱가포르 R&D 법인에 주목하고 있다. A*STAR 등 국책연구기관과 파운드리 기업 컴파운드텍을 가진 싱가포르는 실리콘 포토닉스 강국으로 꼽힌다. HBM용 패키징 장비를 국내에 공급하는 장비업체 ASMPT의 본사도 싱가포르에 있다. 삼성은 이곳에서 TSMC 출신 엔지니어를 뽑는 등 조직 확충에 나섰다. 동시에 AI 반도체 설계 회사인 브로드컴과 손잡고 실리콘 포토닉스 상용화 작업에도 들어갔다.
삼성전자는 실리콘 포토닉스를 파운드리 대형 고객 추가 확보를 위한 ‘열쇠’로 보고 있다. 2.5차원(2.5D), 3차원(3D) 등 최첨단 패키징 시장에서 TSMC에 밀리는 지금의 판도를 뒤집을 반격 카드가 될 수 있다는 이유에서다. 업계는 삼성이 실리콘 포토닉스의 시장 잠재력을 감안해 ‘파운드리 시장의 HBM’으로 점찍었을 것으로 예상한다.
반도체업계 관계자는 “삼성전자가 CPO 상용화 시점을 2027년으로 밝힌 만큼 이때부터 TSMC와의 진검승부가 시작될 것”이라며 “개별 칩에 실리콘 포토닉스가 적용되는 2030년부터는 파운드리 시장의 핵심 전쟁터가 될 가능성이 높다”고 설명했다.
강해령/황정수/김채연 기자 hr.kang@hankyung.com