[쿠키과학] AI 데이터 폭증 해법 찾았다… KAIST, 고효율·고속 광통신 소자 개발

인공지능(AI) 데이터센터의 최대 난제로 꼽히는 전력 소모와 데이터 전송 병목 문제를 해결할 차세대 광통신 핵심 부품이 개발됐다.

KAIST는 김상현 교수팀이 KIST 한재훈 박사, KANC 김종민 박사, 삼성전자 패키징사업부와 공동으로 기존 실리콘 광변조기의 한계를 뛰어넘는 차세대 초고효율·고속 광변조기를 개발했다.

이번 성과는 AI 데이터센터의 전력 소비와 데이터 전송 병목 문제를 동시에 해결할 수 있는 광통신 부품 기술의 새로운 기준을 제시한 것으로 평가된다.
생성형 AI 확산으로 데이터센터 내부에서는 수많은 그래픽처리장치(GPU)와 신경망처리장치(NPU)가 초당 막대한 양의 데이터를 주고받고 있다.

데이터 양이 급증하면서 전력 사용량은 폭발적으로 늘고, 데이터 이동 속도는 병목 현상을 일으킨다.

광변조기는 전기 신호를 빛 신호로 바꿔 광섬유로 전송하는 장치다.

AI 데이터센터를 사람의 신경망에 비유하면 GPU가 뇌라면 광변조기는 뇌와 뇌를 연결하는 신경섬유 역할을 한다.

광변조기 성능이 떨어지면 아무리 뛰어난 AI 반도체를 사용해도 데이터 전달 속도가 느려질 수밖에 없다.

현재 데이터센터에서 사용하는 실리콘 기반 광변조기는 뚜렷한 한계를 안고 있다. 광변조 효율을 높이면 동작 속도가 느려지고, 속도를 높이면 효율이 떨어지는 상충 관계 때문이다.

또 발열이 심한 데이터센터 환경에서는 온도 변화에 민감해 성능이 불안정해질 수 있다.

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 서로 다른 반도체 소재를 결합하는 이종집적 기술을 적용했다.

기존 실리콘 도파로 위에 인듐·갈륨·비소·인(InGaAsP) 화합물 반도체 박막을 올렸다.

실리콘은 반도체 제조 공정에 적합하지만 빛을 조절하는 능력이 제한적이다.

반면 InGaAsP는 빛과 전기에 매우 민감하게 반응한다.

연구진은 두 소재의 장점만 결합해 새로운 광변조기를 구현했다.

특히 마하-젠더(Mach-Zehnder) 구조를 유지하면서 공핍 모드와 프란츠-켈디시 효과를 결합한 점이 핵심이다.

마하-젠더 구조는 빛을 두 갈래로 나눈 뒤 다시 합쳐 신호를 만드는 방식으로, 온도 변화에 강해 데이터센터 환경에 적합하다.

공핍 모드는 반도체 내부 전하를 줄여 신호 처리 속도를 높이는 기술이다.

프란츠-켈디시 효과는 전기장을 가하면 반도체의 빛 흡수 특성이 변하는 현상이다.

기존 연구는 효율을 높이기 위해 전하를 많이 축적하는 방식을 사용했다.

그러나 전하가 늘어나면 충전 용량이 증가해 속도가 떨어지는 문제가 발생했다.

연구진은 반대로 전하를 줄이는 공핍 모드를 적용한 뒤 프란츠-켈디시 효과로 부족한 광변조 성능을 보완해 효율과 속도를 동시에 확보했다.

또 전기 신호와 빛 신호가 같은 속도로 이동하도록 진행파 전극(Traveling-Wave Electrode)을 설계해 데이터 처리 속도를 더욱 끌어올렸다.

연구진은 길이 500마㎛의 초소형 광변조기에서 변조 효율 0.146V·cm와 전기광학 대역폭 26.3GHz를 동시에 달성했다.

변조 효율은 적은 전력으로 빛 신호를 얼마나 효과적으로 제어하는지를 나타내는 지표로, 수치가 낮을수록 성능이 우수하다.

기존 실리콘 광변조기가 수 V·cm 수준인 점을 고려하면 획기적인 개선이다.

26.3GHz 대역폭은 초당 수십 기가비트급 데이터를 처리할 수 있는 수준이다.

이 기술은 최근 주목받는 공동 패키지 광학(CPO) 기술에도 활용할 수 있다.
CPO는 AI 반도체와 광통신 부품을 하나의 패키지 안에 집적하는 기술이다.

데이터 이동 거리를 줄여 전력 소모를 크게 낮출 수 있어 엔비디아, 인텔, AMD 등 글로벌 기업들이 차세대 AI 인프라 핵심 기술로 개발 경쟁을 벌이고 있다.

그러나 CPO는 반도체 칩과 광소자가 밀집해 높은 열이 발생한다는 문제가 있다. 연구진이 개발한 광변조기는 마하-젠더 구조를 기반으로 해 온도 변화에 강하기 때문에 이런 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있다.

김상현 교수는 “이번 기술은 AI 반도체 간 데이터 이동 과정에서 발생하는 전력 손실을 줄이면서도 전송 속도를 높일 수 있음을 실험으로 입증한 것”이라며 “기존 광변조기의 효율·속도 상충관계를 극복하면서 차세대 광인터커넥트 설계 가능성을 넓혔다”고 설명했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 강동길 박사과정이 제1저자로 수행했고, 연구결과는 지난 17일 국제학술대회 ‘VLSI Symposium on Technology and Circuits 2026’에서 17일 발표됐다. (논문명: Depletion-Mode III-V/Si SISCAP Mach-Zehnder Modulator Breaking the Efficiency-Bandwidth Trade-Off for Co-Packaged Optics)

이재형 기자 jh@kukinews.com