반도체 소자는 지속적으로 발전하여 기술 및 혁신의 도약을 이끌고 있으며, 이는 오늘날 데이터 센터용 AI 고성능 컴퓨팅, 엣지 AI 기기, 전기차, 자율주행, 스마트폰 등 다양한 분야에서 확인할 수 있습니다. 최근의 기술 혁신으로는 옹스트롬(Angstrom) 단위의 반도체 공정 노드, 고대역폭 메모리, 첨단 2.5D/3D 이종 통합 패키지, 칩렛(chiplets), 다이 간 상호 연결(die-to-die interconnects) 등이 있습니다. 또한, CPO(Co-Packaged Optics) 폼 팩터의 실리콘 포토닉스는 고성능 컴퓨팅 애플리케이션을 위한 고속 데이터 통신 분야에서 핵심 기반 기술이 될 것으로 기대됩니다.
CPO란 무엇인가요?
CPO는 실리콘 포토닉스 칩을 데이터 센터 스위치 또는 GPU 컴퓨팅 장치와 단일 기판에 통합한 혁신적인 패키징 기술입니다(그림 1 참조). 이 기술은 AI 데이터 센터 애플리케이션에서 대역폭과 속도가 더 높고, 지연 시간이 짧으며, 전력 소비가 적고, 데이터 전송 효율이 향상된 상호 연결에 대한 증가하는 수요를 충족시킵니다.
그림 1. 공동 패키징된 광학 부품 (출처: Broadcom)
CPO를 이해하려면 먼저 이를 구성하는 기술들을 파악해야 합니다. CPO에 있어 핵심 기술 중 하나는 실리콘 포토닉스입니다. 실리콘 포토닉스는 고속 광학 기능을 실리콘 칩에 직접 통합하기 위한 기반 기술을 제공합니다. CMOS 파운드리 업체들은 실리콘 반도체 기술을 기반으로 한 첨단 공정을 개발하여 실리콘 웨이퍼상에서 광학 기능을 구현할 수 있게 했습니다. CPO는 이러한 실리콘 포토닉스 칩을 AI 가속기 칩이나 스위치 ASIC과 같은 전자 칩과 단일 기판 또는 패키지 상에서 직접 통합하는 이종 통합 패키징(HIP) 기술을 사용합니다. 실리콘 포토닉스와 HIP이 결합되어 CPO 제품을 구현합니다. 따라서 CPO는 실리콘 포토닉스, ASIC 및 첨단 이종 패키징 기술 공급망이 융합된 결과물입니다.
앞서 언급했듯이, CPO는 고속, 고대역폭, 저지연, 저전력 광학 인터커넥트를 컴퓨팅 전면에 도입합니다. 또한, 광학 소자는 장거리 전송 시 손실이 거의 없어, 수백 미터 떨어진 곳에 위치한 다른 AI 가속기와도 하나의 컴퓨팅 리소스처럼 작동하며 워크로드를 공유할 수 있습니다. 이러한 고속·장거리 상호 연결 CPO 패브릭은 데이터 센터의 아키텍처를 재구축할 것으로 기대되며, 이는 미래의 AI 애플리케이션을 실현하기 위한 핵심 혁신입니다.
2025년 현재, 통합을 위해 첨단 이종 패키징 기술을 사용하는 대신, 단일 기판 위에 광학 “엔진”을 스위치 또는 GPU ASIC과 통합한 초기 CPO 프로토타입이 개발되고 있다. 이 맥락에서 광학 “엔진”이란 실리콘 포토닉스 칩을 다른 개별 부품 및 광섬유 커넥터와 함께 패키징한 것을 의미하며, CPO는 여러 광학 엔진을 스위치 또는 GPU ASIC과 함께 공통 기판 위에 조립한 것을 의미합니다.
CPO의 시장 출시 기간을 단축하는 방법은 무엇인가요?
CPO용 데이터 통신 시장은 통신 및 생명공학 분야의 다품종 소량 생산 제품 및 애플리케이션과 같이 실리콘 포토닉스 제조 공급망이 과거에 주로 다루어 왔던 규모보다 약 100배 더 큰 시장 기회를 제시합니다. 이러한 대규모 CPO를 성공적으로 구현하기 위해서는 다음 세 가지 요소가 발전해야 합니다:
- 실리콘 포토닉스 공급망은 웨이퍼 및 광학 엔진 단계에서 생산 능력을 확대하고 높은 수율을 달성해야 합니다.
- 새로운 이종 통합 패키징 개념은 공동 패키징 광학 부품에 대해 OSAT 및 계약 제조업체와 함께 검증되어야 합니다.
- 현재의 실리콘 포토닉스 테스트 공정은 수작업에 크게 의존하고 있어 대량 생산에 적합하지 않으므로, 새로운 대량 생산용 테스트 기술을 개발하고 그 효용성을 입증해야 한다.
CPO 기술은 아직 성숙 단계에 이르지 않았고 대량 생산 단계도 아니지만, 웨이퍼, 패키지, 시스템 수준에 관계없이 자동화 테스트 장비의 테스트 요구 사항에 직접적인 영향을 미치므로 테스트 장비 공급업체와 디바이스 공급업체는 이 기술의 도래에 대비해야 합니다. 광학 기술 분야의 급속한 발전에 발맞추고 전기 신호와 광 신호를 동시에 처리할 수 있는 하이브리드 테스트 시스템을 개발하기 위해서는 광학 테스트 역량에 대한 투자가 필수적이다. CPO 테스트에는 능동적인 열 관리, 고전력 처리, 대형 패키지 취급, 맞춤형 광학 부품 취급 및 정렬, 고속 디지털 신호, 광대역 광 신호, 그리고 고주파 RF 신호 테스트가 요구된다.
또한, 웨이퍼 단계부터 최종 패키지 테스트에 이르기까지 여러 단계의 테스트가 삽입되는데, 이러한 단계들은 테스트 커버리지, 테스트 시간 및 비용 측면에서 최적화되어야 합니다(그림 2 참조). 운영 비용과 설비 투자 비용 모두에서 상당한 제품 제조 비용이 발생하지 않도록 각 단계의 테스트 커버리지를 최적화하려면 전문 지식과 경험이 필요합니다.
그림 2: 실리콘 포토닉스 웨이퍼-CPO 간 테스트 삽입
CPO 시험의 난관
CPO 장치를 테스트하는 데는 전기 및 광학 분야를 아우르는 다양한 공정과 소재가 관여하기 때문에 특유의 어려움이 따릅니다. 특히 신뢰할 수 있는 테스트 결과를 보장하기 위해 필요한 정밀도로 광학 부품을 정렬해야 하는 본질적인 복잡성이 큰 과제입니다. 연결 허용 오차가 비교적 관대한 기존의 전기 신호와 달리, 광학 신호는 정렬의 미세한 편차에도 매우 민감합니다. 광학 기술과 고성능 디지털 컴퓨팅 장치를 통합하는 CPO의 복잡성은 레이저, 도파관 및 광검출기의 정밀한 배치를 요구합니다. 아주 미세한 정렬 오류라도 신호 저하, 전력 손실 또는 부정확한 측정 결과를 초래하여 테스트 과정을 복잡하게 만듭니다. 이 기술이 발전함에 따라, 자동화 테스트 장비 역시 광학 기술과 광-전기 통합이 요구하는 정밀한 요건을 충족할 수 있도록 진화해야 합니다.
필요한 정밀도 외에도, CPO에 사용되는 소재와 공정 자체가 변동성을 초래합니다. 서로 다른 공급업체에서 공급된, 각각 서로 다른 소재나 설계를 사용할 가능성이 있는 여러 광학 칩렛을 단일 기판에 패키징할 경우, 이러한 이질적인 요소들 간의 정렬을 유지하는 것은 기하급수적으로 어려워집니다. 각 광학 칩렛은 고유한 광학적 특성을 가질 수 있으므로, 테스트 장비는 신호 송수신 정확도를 저해하지 않으면서 다양한 광학 정렬 조건을 처리해야 합니다. 이로 인해 다양한 유형의 소재와 광학 설계 전반에 걸쳐 적응하고 일관되게 신뢰할 수 있는 측정 결과를 제공하는 자동화 테스트 장비에 대한 수요가 증가하고 있습니다.
정밀한 정렬을 달성하는 데 시간이 많이 소요된다는 점은 대량 반도체 테스트 환경에서 상당한 병목 현상을 초래하기도 합니다. 대개 수동 또는 반자동 공정을 통해 수행되는 광학 부품 정렬 작업은 테스트 주기에 시간을 추가하게 되며, 이는 생산 환경의 처리량과 효율성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 지연을 완화하기 위해 자동화 테스트 장비 공급업체들은 전기 신호와 광 신호를 동시에 효율적으로 처리할 수 있는 하이브리드 시스템과 같은 첨단 광학 테스트 기술에 투자해야 합니다. 또한 이러한 시스템은 더 빠르고 신뢰할 수 있는 정렬 기술을 통합해야 하며, 실시간으로 조정할 수 있는 AI 기반 보정 및 적응형 알고리즘을 활용할 가능성이 있습니다.
Test는 CPO의 중요한 요구 사항을 충족합니다
PCIe 5.0/6.0/7.0 및 400G/800G/1.6T b/s 이더넷 등 최신 산업 프로토콜을 지원하는 더 빠른 데이터 상호 연결에 대한 요구가 높아짐에 따라, 데이터 센터의 신뢰성과 성능에 대한 중요성이 더욱 커지고 있습니다. 데이터 인터커넥트에서 발생하는 어떠한 장애나 성능 저하도 심각한 가동 중단 및 성능 병목 현상을 초래할 수 있습니다. 따라서 구성 요소가 데이터 센터에 배포되기 전에 잠재적인 문제를 식별하고 해결하기 위해 테스트 범위를 확대하는 데 더욱 중점을 두고 있습니다. 결과적으로 반도체 테스트 업계는 다양한 작동 조건 하에서 신호 무결성, 열적 거동, 전력 소비를 포함한 구성 요소 성능의 모든 측면을 포괄하는 종합적인 테스트 솔루션을 제공해야 합니다.
궁극적으로, 업계가 CPO로 전환함에 따라 테스트 방법론과 장비의 혁신이 요구될 것이며, 특히 웨이퍼부터 CPO 패키지까지 모든 테스트 단계에서 정확한 광학 정렬이 중요해질 것입니다. 첨단 광학 테스트 시스템에 투자하는 반도체 테스트 선도 기업들은 이 신기술이 지닌 복잡성을 효과적으로 처리할 수 있는 유리한 입지를 확보하게 될 것이며, 이를 통해 급속한 기술 발전과 증가하는 시장 수요에 발맞출 수 있을 것입니다.
테라다인은 이러한 혁신의 최전선에 서서 신기술을 선제적으로 예측하고, 반도체 패키징 및 소재 분야의 최신 발전에 대응할 수 있는 유연하고 효과적인 자동화 테스트 장비 역량을 개발하기 위해 주도적인 접근 방식을 취하고 있습니다.
조지 S. 허타르테(Jeorge S. Hurtarte) 박사는 현재 테라다인(Teradyne)의 반도체 테스트 그룹에서 SoC 제품 전략 담당 수석 이사(Senior Director)로 재직 중입니다. 조지 박사는 테라다인, 램 리서치(Lam Research), 라이트포인트(LitePoint), 트랜스위치(TranSwitch), 록웰 세미컨덕터스(Rockwell Semiconductors)에서 다양한 기술, 관리 및 임원직을 역임했습니다. Jeorge는 북미 SEMI 자문 위원회 위원이며, IEEE 이종 통합 로드맵(HIR) 테스트 분과 위원회의 공동 의장을 맡고 있습니다. 조르지는 전기공학 박사 학위와 MBA, 컴퓨터 과학, 통신공학 석사 학위 등 총 3개의 석사 학위를 보유하고 있습니다. 또한 캘리포니아 대학교 산타크루즈 캠퍼스와 피닉스 대학교의 객원 교수로도 활동하고 있으며, 『Understanding Fabless IC Technology』의 공동 저자이기도 합니다.