AI 데이터센터 전력문제 해결할 고효율·고속 광통신 기술 구현

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 김상현 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 한재훈 박사, 한국나노기술원(KANC) 김종민 박사 및 삼성전자 패키징사업부와의 협업을 통해 서로 다른 반도체 소재의 장점을 결합한 차세대 광변조기를 개발했다고 23일 밝혔다.

인공지능(AI) 데이터센터에서는 수많은 서버와 반도체 칩이 대용량 데이터를 실시간으로 주고받는다. 광변조기의 성능은 이 과정에서 데이터 전송 속도와 전력 효율을 결정하는 핵심 요소다. 특히 데이터센터처럼 발열이 심한 환경에서는 안정적으로 동작하는 고효율·고속 광변조기 필요성이 크다.

그러나 기존 실리콘 기반 광변조기는 높은 발열과 온도 변화에 약하고 효율과 속도가 반비례하는 한계를 안고 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 온도 변화에 강한 마하-젠더 구조를 유지하면서도, 실리콘 도파로(빛이 지나가는 통로) 위에 전기·광학적 반응성이 뛰어난 인화물계 반도체(InGaAsP) 박막을 결합했다.

기존 실리콘 위에 빛을 더 민감하게 제어할 수 있는 특수 반도체 소재를 덧붙인 것으로, 소자 크기는 줄이면서도 빛 신호를 더욱 효율적으로 제어할 수 있게 했다.

그동안 학계에서는 이 구조를 사용할 경우 효율을 높이면 전하가 쌓여 구동 속도가 느려지는 상충 관계가 있다고 봤다. 연구팀은 소자 내부의 충전 용량을 줄여 속도를 높이는 공핍 모드 구동과 전압이 가해질 때 물질의 빛 흡수 특성이 변하는 프란츠-켈디시 효과를 결합해 한계를 극복했다.

그 결과 머리카락 굵기보다 수십 배 작은 500 마이크로미터(μm) 길이의 초소형 소자에서 세계 최고 수준의 변조 효율(0.146V·㎝)과 고속 구동 대역폭(26.3GHz)을 동시에 달성하는데 성공했다. 이는 AI 데이터센터의 에너지 효율과 데이터 처리 성능을 동시에 높일 수 있는 수준의 성과다.

이번 연구는 AI 데이터센터가 직면한 전력 소비 증가와 데이터 전송 병목 문제를 해결할 수 있는 현실적인 기술을 제시했다는 점에서 의미가 크다고 연구팀은 설명했다.

특히 소형화와 저전력 특성을 바탕으로 차세대 데이터센터용 광통신 칩과 공동 패키지 광학의 핵심 부품으로 활용될 것으로 기대된다.

또 차세대 AI 데이터센터와 초고속 광통신 시스템 구현에 중요한 전환점이 될 것으로 평가된다.

김 교수는 "이번 성과는 광변조기의 효율과 속도를 동시에 높인 것으로, 차세대 AI 데이터센터와 초고속 광통신 시스템에 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

KAIST 전기및전자공학부 강동길 박사과정이 제1저자로 참여한 이번 연구 성과는 반도체 소자 분야 국제학회 'VLSI 심포지엄(VLSI Symposium on Technology and Circuits)'에서 발표됐다.

연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 박사과정생연구장려금지원사업 및 삼성전자의 지원을 받아 수행됐다.

jongseo12@news1.kr