[IT] 광자 집적회로(PIC) – 빛으로 연산하는 반도체 혁명

전자의 한계를 넘어, 빛으로 계산하는 시대가 온다

 

AI가 만든 새로운 연산의 전쟁

AI와 데이터센터의 폭발적인 성장으로,

전통적인 반도체의 전력소모·발열·속도 한계가 분명히 드러나고 있습니다.

 

전류로 신호를 주고받던 기존 회로 대신,

이제 빛(Photon)으로 데이터를 전송하고 연산하는 새로운 반도체 기술이 등장했습니다.

 

그것이 바로 광자 집적회로(Photonic Integrated Circuit, PIC) –

즉, “빛으로 작동하는 반도체”입니다.

 

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1. 광자 집적회로란 무엇인가

광자 집적회로는 빛의 간섭, 진폭, 위상을 제어하여

정보를 처리하는 반도체 회로입니다.

 

전자의 흐름을 이용하는 기존 IC(Integrated Circuit)와 달리

PIC는 광도파로(Waveguide)를 통해 레이저 신호를 전송합니다.

구분	전자 집적회로	광자 집적회로
신호 매개체	전자 (Electron)	빛 (Photon)
전송속도	약 10⁶ m/s	3×10⁸ m/s
발열	높음	거의 없음
에너지 효율	낮음	매우 높음

 

빛은 전자보다 100배 이상 빠르며,

전류가 없으므로 발열이 적고 초저전력 연산이 가능합니다.

 

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2. 왜 ‘빛의 반도체’가 떠오를까?

(1) AI 연산 폭증

ChatGPT, Gemini 등 초거대 모델의 학습에는

막대한 GPU 연산과 전력이 필요합니다.

 

예를 들어 GPT-4 학습에는 약 1,000MWh 이상의 전력이 사용되며,

데이터센터의 전력의 40% 이상이 냉각에 쓰입니다.

 

광자 회로는 이런 문제를 근본적으로 해결합니다.

발열이 적고 에너지 효율이 90% 이상 개선됩니다.

 

(2) 전자신호의 물리적 한계

반도체 공정이 2nm 이하로 축소되면서

간섭(crosstalk)과 누설전류가 심화되고 있습니다.

광자는 전자처럼 충돌하지 않기 때문에

지연이 없고 병렬 전송이 가능합니다.

 

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3. 실리콘 포토닉스 – 상용화의 핵심

PIC를 실제 반도체 공정에 구현하기 위한 기술이

바로 실리콘 포토닉스(Silicon Photonics)입니다.

 

기존 CMOS 반도체 생산라인에서 그대로 활용할 수 있어

상용화 속도가 빠릅니다.

 

대표 기업들은 다음과 같습니다.

 

• Intel: 400G~800G급 광I/O 칩 상용화
• Ayar Labs: NVIDIA·AMD와 광연산용 AI 칩 개발
• IBM: 양자통신용 Photonic Processor 개발
• TSMC: 광자 MPW(다중프로젝트웨이퍼) 공정 서비스 제공

 

한국에서는 ETRI, KAIST, SK하이닉스 등이

국가 전략과제로 실리콘 포토닉스 기술을 연구 중입니다.

 

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4. 광자 칩의 응용 분야

(1) AI 연산 가속기

빛은 다양한 파장을 동시에 사용할 수 있습니다.

이 덕분에 병렬 연산 성능이 GPU보다 수십 배 빠릅니다.

 

MIT의 Lightelligence 광컴퓨팅 칩은

전통적 GPU보다 최대 100배 빠른 AI 추론 속도를 달성했습니다.

 

(2) 초고속 데이터센터 통신

광자 회로는 서버 간 데이터 전송에서

지연 없이 초당 수백 기가비트(Gbps) 의 속도를 제공합니다.

 

(3) 양자통신 및 보안

광자는 양자 상태를 유지할 수 있어

양자암호(QKD) 기반 초보안 통신망 구축에 활용됩니다.

 

(4) 고정밀 라이다 및 센서

광자 칩 기반 라이다는 기존보다

신호 처리 속도와 감지 정밀도가 대폭 향상됩니다.

 

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5. 기술적 과제

(1) 광원 집적

빛을 발생시키는 레이저(광원)를

실리콘 내부에 완전히 통합하기 어렵습니다.

현재는 InP(인듐인산)을 실리콘에 하이브리드 결합하는 방식이 연구 중입니다.

(2) 전기-광 변환 효율

신호 변환 시 손실이 발생합니다.

광변조기(Modulator)의 효율이 PIC 성능의 핵심 요소입니다.

(3) 패키징 정밀도

광 회로는 ±0.1㎛ 수준의 정밀도가 필요합니다.

이를 해결하기 위한 Co-Packaged Optics (CPO) 기술이 주목받고 있습니다.

 

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6. 한국의 PIC 연구 현황

한국은 2025년 현재, 정부 주도의

“K-포토닉스 전략”을 통해 연구개발을 적극 지원하고 있습니다.

• ETRI: 광통신용 집적칩 및 양자암호 PIC 개발
• KAIST: 광 기반 뉴로모픽 AI 프로세서 연구
• 삼성전자: 광·전 하이브리드 구조 특허 출원
• SK하이닉스: 실리콘 포토닉스 기반 HBM 대체 기술 연구

이들은 모두 AI 반도체 및 통신망의 차세대 기술 인프라 확보를 목표로 하고 있습니다.

 

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7. 산업적 파급효과

분야	변화 내용
데이터센터	전력소모 90% 절감, 냉각부하 감소
AI 반도체	GPU 대비 연산속도 10~100배 향상
통신 인프라	광네트워크 기반 초저지연 데이터 전송
환경효과	탄소배출 감소, 냉각전력 절감 효과

 

즉, PIC는 단순한 기술이 아니라

AI 산업의 지속가능성을 좌우하는 핵심 인프라입니다.

 

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8. PIC가 여는 ‘빛의 컴퓨팅 시대’

앞으로의 반도체는

“전자가 흐르는 회로”에서 “빛이 흐르는 회로”로 진화할 것입니다.

 

이는 트랜지스터의 발명 이후

가장 근본적인 연산 방식의 전환(Paradigm Shift) 입니다.

 

AI, 6G, 양자통신, 데이터센터 등

모든 첨단 산업의 중심에는 빛의 반도체(PIC)가 놓이게 됩니다.

 

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전자의 시대가 저물고, 빛의 시대가 열린다

광자 집적회로는 단순히 더 빠른 칩이 아닙니다.

그것은 정보 처리의 언어를 바꾸는 기술입니다.

 

1950년대 트랜지스터가 전자세대를 열었다면,

2030년대는 광자 반도체가 AI 세대를 이끌 것입니다.

 

이제 컴퓨팅의 속도는 전자가 아니라,

빛의 속도로 결정되는 시대가 다가오고 있습니다.