인공지능 모델이 수조 개의 매개변수로 확장됨에 따라 반도체 업계는 물리적 한계, 즉 구리선의 전기 저항에 직면하고 있습니다. 기존 데이터 센터에서 HBM과 GPU 간에 테라바이트 규모의 데이터를 전기 신호를 통해 전송하는 과정에서 막대한 열과 지연이 발생하여 어떤 냉각 기술로도 해결할 수 없는 병목 현상이 나타납니다. SK하이닉스는 실리콘 포토닉스와 CPO(Co-Packaged Optics) 기술을 개척하여 데이터 전송 매체를 전자에서 광자를 근본적으로 변화시킴으로써 이러한 장벽을 허물고 있습니다. 광학 I/O를 메모리 패키지에 직접 통합함으로써 SK하이닉스는 전기 인터페이스에 필요한 전력의 극히 일부만으로도 테라바이트/초(Tbps) 수준의 전송 속도를 구현하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이러한 "광-전기 하이브리드" 아키텍처로의 전환은 단순한 업그레이드가 아니라, 차세대 하이퍼스케일 AI를 위한 필수적인 진화이며, "메모리 장벽"이 "열 장벽"으로 변질되지 않도록 보장합니다. 본 분석에서는 SK 하이닉스가 6G 및 그 이후 기술의 진정한 잠재력을 구현하기 위해 어떻게 초고속 인프라를 설계하고 있는지 살펴보겠습니다.
전기 대신 빛을 이용한 테라바이트급 전송 속도
초당 테라바이트(Tbps) 전송 속도로의 전환은 전기 저항이라는 피할 수 없는 물리적 현상에 의해 지배되어 온 반도체의 "구리 시대"에서 완전히 벗어나는 것을 의미합니다. 현재의 구리 기반 인터커넥트(SerDes)에서는 데이터 전송 속도가 레인당 100Gbps를 초과하면 "표피 효과"로 인해 전자가 전선 표면에 밀집되어 신호 손실이 기하급수적으로 증가하고 막대한 열이 발생합니다. SK하이닉스는 전자를 광자로 대체하는 실리콘 포토닉스 기술을 활용하여 데이터를 빛 펄스로 전송함으로써 이러한 근본적인 한계를 극복하고 있습니다. 전자와 달리 광자는 질량이 없고 저항으로 인한 열을 발생시키지 않기 때문에 금속 트레이스로는 물리적으로 불가능한 데이터 밀도를 구현할 수 있습니다. 이러한 변화 덕분에 SK하이닉스는 구리 신호가 잡음으로 변질되는 거리에서도 멀티 테라 비트 피드(Tbps) 대역폭을 지원하는 메모리 인터페이스를 구상할 수 있게 되었습니다. 여기서 핵심적인 엔지니어링 성과는 DRAM의 전기 데이터를 빛으로 변환하는 구성 요소인 "광학 엔진"을 소형화하여 표준 메모리 패키지의 열용량 내에 맞출 수 있도록 한 것입니다. 이 "광학 I/O"는 대역폭과 전력 소비를 효과적으로 분리하여 AI 클러스터가 원자력 발전소 수준의 에너지를 냉각에 쏟지 않고도 성능을 확장할 수 있도록 합니다. 이러한 Tbps 속도의 구조적 구현은 CPO(Co-Packaged Optics)라는 패키징 혁신을 통해 달성됩니다. 이 혁신은 광 트랜시버를 서버 랙 가장자리에서 HBM(고대역폭 메모리) 및 GPU와 동일한 패키지로 직접 이동시킵니다. 기존의 "플러거블 옵틱(Pluggable Optics)" 방식에서는 전기 신호가 광섬유 케이블에 도달하기 위해 PCB 마더보드를 가로질러 수 인치를 이동해야 하므로, 매 밀리미터마다 에너지가 낭비됩니다. SK 하이닉스의 CPO 전략은 광 인터커넥트를 메모리 스택과 동일한 인터포저에 장착함으로써 이러한 "마지막 1인치" 문제를 해결합니다. 이처럼 극도로 근접한 거리 덕분에 전기적 경로가 수 마이크론 수준으로 줄어들어 신호 구동에 필요한 전력이 획기적으로 감소합니다. SK 하이닉스는 웨이퍼 레벨에서 "파장 분할 다중화(WDM)" 기술, 즉 단일 광섬유 레인을 통해 여러 색상의 빛을 전송하는 기술을 직접 통합함으로써, 사람 머리카락보다 얇은 유리 섬유를 통해 수십 테라비트의 데이터를 동시에 전송할 수 있는 차세대 CPO 지원 메모리 모듈을 개발했습니다. 이 아키텍처는 메모리 모듈을 수동적인 데이터 저장소에서 능동적인 "광학 노드"로 변환하여, 데이터 센터 내의 다른 프로세서와 거의 지연 없이 빛의 속도로 통신할 수 있게 합니다. SK 하이닉스의 로드맵에서 구체적이고 중요한 차별화 요소는 업계 표준인 VCSEL 레이저 의존에서 벗어나 마이크로 LED 기반 광 인터커넥트(아비 세나와 같은 파트너사의 기술 포함)에 전략적으로 투자하는 것입니다. 레이저는 강력하지만 민감하여 AI 칩의 고온 환경에서 고장이 발생하기 쉽습니다. 반면 마이크로 LED는 놀라울 정도로 견고하고 내열성이 뛰어나며 대규모 병렬 전송이 가능한 "라이트번들(LightBundle)" 방식을 제공합니다. SK 하이닉스는 이 기술을 활용하여 수천 개의 미세 LED가 개별 데이터 레인 역할을 하고 병렬로 점멸하여 전례 없는 처리 밀도를 달성하는 "광학 HBM" 인터페이스를 개발하고 있습니다. 이 접근 방식은 외부 레이저 소스의 복잡성을 우회합니다. 마이크로 LED 어레이를 표준 디스플레이 제조 기술을 사용하여 실리콘 CMOS 구동 회로에 직접 접합할 수 있기 때문입니다. 이러한 "디스플레이-컴퓨팅" 융합을 통해 SK하이닉스는 하이퍼스케일 배포에 적합한 수율과 비용 구조로 Tbps급 광메모리 인터페이스를 생산할 수 있으며, 이는 지난 10년간 실리콘 포토닉스의 발전을 저해해 온 "레이저 신뢰성" 병목 현상을 효과적으로 해결하는 것입니다.
포장 혁신 CPO를 통해 데이터 병목 현상 해결하기
코패키지드 옵틱스(CPO) 도입을 이끄는 근본적인 엔지니어링 요구 사항은 AI 인프라 확장을 저해하는 기생 현상인 "마지막 1인치" 전기적 병목 현상을 시급히 제거해야 한다는 점입니다. 기존 데이터 센터 아키텍처에서는 고속 신호가 ASIC에서 패키지 기판을 거쳐 PCB 마더보드로 이동한 다음 랙 가장자리에 있는 플러그형 광 트랜시버까지 도달해야 합니다. PAM4 변조를 사용하여 레인당 100Gbps 이상의 속도를 구현할 경우, 구리 트레이스 내부의 유전 손실과 표피 효과가 매우 심각해져 칩 전체 전력 예산의 거의 30%가 신호를 저항으로 전송하기 위한 SerDes(직렬화/역 직렬화) 이퀄라이제이션에 낭비됩니다. SK 하이닉스의 CPO 패키징 혁신은 PCB 트레이스를 완전히 제거함으로써 이러한 문제를 근본적으로 해결합니다. 광학 엔진인 광자 집적 회로(PIC)를 논리 및 메모리 다이와 동일한 2.5D 실리콘 인터포저에 직접 장착함으로써 전기 채널 길이가 수십 센티미터에서 불과 밀리미터로 단축됩니다. 이러한 근접성은 임피던스 불일치와 신호 감쇠를 획기적으로 줄여주어, 구리 기반의 "플러그형" 광학 소자로는 물리적으로 불가능한 펨토줄/비트 효율로 데이터를 전송할 수 있게 해 줍니다. 이는 절약된 열 여유 공간을 실질적인 연산 성능으로 전환하는 효과를 가져옵니다. 하지만 광학 소자를 반도체 패키지에 직접 통합하는 것은 "레이저 신뢰성"이라는 중요한 열역학적 역설을 초래하며, 이는 표준 HBM 스태킹과는 다른 정교한 패키징 솔루션을 요구합니다. 반도체 로직과 메모리는 고온(종종 100°C에 근접한 온도)에서 잘 작동하지만, 광 캐리어 신호를 생성하는 데 필요한 레이저는 이러한 열에 노출되면 빠르게 열화되고 파장 드리프트 현상이 발생합니다. 이 문제를 해결하기 위해 SK 하이닉스의 CPO 로드맵은 "분리형 레이저" 전략, 즉 외부 레이저 소스(ELS) 전략을 강조합니다. 이 패키징 혁신에서는 발열이 심한 레이저 다이오드를 고온의 CPO 패키지 내부에 배치하지 않고, 편광 유지 광섬유(PMF)를 통해 고온의 실리콘 인터포저에 있는 광 변조기와 연결되는 별도의 저온 모듈에 전면 패널에 배치합니다. 이 "원격 조명" 아키텍처는 섬세한 광원을 AI 프로세서의 극심한 열로부터 열적으로 격리하는 동시에 견고한 실리콘 포토닉스 부품이 변조를 처리하도록 합니다. 이러한 분리형 패키징 방식은 CPO 모듈이 기업 데이터 센터에서 요구하는 10년의 수명을 견딜 수 있도록 하는 핵심 요소이며, 데이터 병목 현상 해결이 포토닉스 기술뿐 아니라 열 엔지니어링에도 달려 있음을 입증합니다. 궁극적으로 CPO 패키징을 통한 데이터 병목 현상 해결은 서버 마더보드의 물리적 제약으로부터 메모리를 해방하는 개념인 "메모리 분리"의 기반 기술이 됩니다. 현재 "메모리 병목 현상"은 CPU/GPU가 소켓 근처에 물리적으로 장착할 수 있는 제한된 양의 DRAM에만 접근할 수 있기 때문에 발생합니다. SK 하이닉스는 메모리 모듈에 CPO 인터페이스를 탑재함으로써 메모리 패키지를 장거리 통신 노드로 변환하여 광섬유를 통해 지연 시간 손실을 최소화하면서 데이터를 전송할 수 있도록 했습니다. 이를 통해 페타바이트 규모의 CPO 연결 DRAM이 별도의 섀시에 존재하지만 모든 프로세서가 마치 로컬 메모리처럼 액세스할 수 있는 "풀링 된 메모리" 랙을 생성할 수 있습니다. 이 "광학 패브릭"은 한 서버의 RAM이 부족해지는 동안 다른 서버가 유휴 상태로 있는 자원 낭비 현상을 없애고, 단일 마더보드가 처리할 수 있는 용량을 훨씬 초과하는 수조 개의 매개변수를 가진 AI 모델 학습을 가능하게 합니다. 따라서 CPO 패키징은 단순한 대역폭 업그레이드가 아니라, 칩 간의 물리적 경계가 빛의 속도로 사라지는 "데이터 센터가 컴퓨터" 시대의 구조적 필수 요소입니다.
메모리와 광통신을 결합한 미래형 인터페이스
메모리 인터페이스의 궁극적인 진화는 "광학 HBM(O-HBM)"이라는 개념으로, 메모리 스택의 물리 계층(PHY)이 전기적 방식에서 광학적 방식을 근본적으로 전환되는 패러다임의 변화입니다. 현재 JEDEC HBM3E 표준에서는 스택이 데이터를 전송하기 위해 1,024개의 전기적 TSV(Through-Silicon Vias)에 의존하는데, 이에 따라 막대한 "핀 개수 장벽"과 대역폭 확장성을 제한하는 기생 정전 용량이 발생합니다. SK 하이닉스의 미래 인터페이스 전략은 DRAM 스택 바로 아래에 "광학 엔진 베이스 다이"를 통합하는 것을 포함합니다. 이 베이스 다이는 초소형 링 공진기 또는 마이크로 LED를 사용하여 메모리 셀의 병렬 전기 데이터를 직렬 광 신호로 변환합니다. 이를 통해 인터페이스는 구리 핀의 물리적 한계를 극복하여 단일 광섬유 가닥으로 수천 개의 전기 트레이스에 해당하는 대역폭을 전송할 수 있습니다. 이 "전자-광자 집적 회로(EPIC)" 아키텍처는 메모리 대역폭과 패키지 크기를 효과적으로 분리하여, 단일 HBM 큐브가 기판을 통해 고전류 전기 신호를 구동할 때 발생하는 열 손실 없이 GPU 또는 AI 가속기에 초당 수십 테라바이트(Tbps)의 데이터를 직접 제공할 수 있는 미래를 가능하게 합니다. 시스템 프로토콜 수준에서 이러한 광학 기술의 발전은 광섬유 기반 CXL(Compute Express Link)의 핵심 동력이며, 이는 "서버 박스"의 한계를 극복하는 것을 목표로 합니다. CXL 2.0은 메모리 확장을 지원하지만, 현재 PCIe 구리 트레이스의 짧은 거리(약 20~30cm)로 인해 메모리 풀이 단일 서버 섀시에 제한됩니다. SK하이닉스는 "리타이머 프리(Retimer-Free)" 광 링크를 활용하는 통합 광 트랜시버를 탑재한 차세대 CXL 메모리 모듈(CMM)을 개발 중입니다. 이를 통해 CXL 메모리의 의미론적 정보, 즉 로드/스토어 명령어를 수십 미터의 광섬유 케이블을 통해 거의 지연 없이 전송할 수 있습니다. 이러한 인터페이스 진화는 페타바이트급 SK 하이닉스 메모리를 탑재한 중앙 "메모리 어플라이언스"를 동적으로 분할하고 수백 대의 서버에서 동시에 액세스할 수 있는 "랙 스케일 아키텍처"를 구현할 수 있게 해 줍니다. 광학 CXL 인터페이스를 기반으로 하는 이 "분리형 메모리" 모델은 "유휴 메모리"(유휴 서버의 사용되지 않는 RAM) 개념을 없애고 데이터 센터가 거의 100%에 가까운 메모리 활용 효율을 달성할 수 있도록 하여 클라우드 컴퓨팅의 경제성을 근본적으로 변화시킵니다. 이 광-메모리 인터페이스의 물리적 구현은 이종 3D 통합을 위한 "하이브리드 본딩" 기술의 완성에 달려 있으며, SK 하이닉스는 이 제조 과제를 적극적으로 해결하고 있습니다. 표준 마이크로 범프는 DRAM 다이와 광자 로직 레이어 간에 필요한 고밀도 연결을 지원하기에는 크기가 너무 크고 전기적 노이즈가 심합니다. 미래의 인터페이스는 메모리 다이와 광 엔진의 구리 패드를 납땜 없이 원자 수준에서 즉시 접합하는 "직접 접합 상호 연결(DBI)" 방식을 요구합니다. 이러한 서브마이크론 정밀도는 전기적 연결뿐만 아니라 "광학 정렬"에도 매우 중요합니다. 광학 정렬은 미세한 광원이 산란 없이 도파관(광 터널)과 완벽하게 정렬되도록 보장합니다. SK하이닉스의 "웨이퍼-투-웨이퍼" 하이브리드 본딩 기술 개발은 로직, 메모리, 광학 소자를 단순히 패키징 하는 것을 넘어 물리적으로 하나의 모놀리식 구조체로 결합하는 3D 스택 구현을 가능하게 합니다. 이러한 제조 혁신은 광 HBM(하이브리드 볼머 메모리)의 상용화를 위한 "황금 열쇠"로서, 신호 경로를 거의 0에 가깝게 단축하고 광전 변환 과정의 에너지 효율을 극대화합니다. 마지막으로, 이러한 미래 인터페이스의 표준화는 SK 하이닉스가 업계 전반의 상호 운용성을 보장하기 위해 정의를 돕고 있는 프로토콜인 "UCIe-Optical"(Universal Chiplet Interconnect Express)을 중심으로 구체화하고 있습니다. 독자적인 광 링크가 존재하지만, 광메모리의 대량 도입을 위해서는 한 업체의 GPU가 SK 하이닉스의 광 HBM과 원활하게 통신할 수 있도록 하는 공통 언어가 필요합니다. 새롭게 등장하는 UCIe-Optical 표준은 다이 간 상호 연결 사양을 확장하여 "패키지 외부" 광 연결을 지원하고, 정확한 전기-광 신호 변환 요구 사항 및 지연 시간 목표를 정의합니다. SK 하이닉스는 이러한 생태계에서 자사의 미래 메모리 컨트롤러가 "프로토콜에 구애받지 않는" 기능을 갖추도록 보장하여, 메모리 패킷을 일반적인 광 스위치를 통해 전송할 수 있는 표준 광 프레임으로 캡슐화할 수 있도록 하는 역할을 수행합니다. 이 "플러그 앤 플레이" 광학 생태계는 미래의 AI 설계자들이 마치 레고 블록처럼 컴퓨팅 및 메모리 칩렛을 자유롭게 조합하고, 범용 광 네트워크로 연결하여 마더보드의 물리적 제약에 얽매이지 않고 알고리즘에 최적화된 맞춤형 "도메인별 아키텍처"(DSA)를 구축할 수 있도록 해줍니다.
