“Intra-DC 통신을 위한 1.6Tbps 광트랜시버용 광소자 부품 기술 개발(실행과제번호: 24HH6610, 25HH9110)” 사업으로 개발된 연구 결과물인 “200Gbps PAM4 신호 전송을 위한 PCB 기술”을 수요 업체에 이전하고자 함
- 최근 데이터센터 및 고성능 컴퓨팅(HPC) 환경에서 인공지능(AI) 연산 수요가 급격히 증가함에 따라, 서버 내 및 서버 간 데이터 전송의 고속화 및 저전력화 요구가 증대되고 있음
- 특히, 기존의 전기적 인터페이스 기반 데이터 전송 방식은 속도 및 에너지 효율 면에서 한계를 보이고 있어, 광기반 인터페이스 기술이 새로운 대안으로 주목받고 있음
- 이러한 추세에 따라 2017년 IEEE802.3bs를 통해 400G 이더넷의 표준화가 완료된 이래 데이터센터 내부를 중심으로 폭증하는 데이터 처리용량을 수용하기 위해 2021년부터 400Gbps 광트랜시버를 기반으로 한 12.8Tbps 스위치가 데이터센터 내부를 중심으로 활발히 도입되었음
- 데이터의 전송용량을 증가시키기 위해 25.6Tbps 및 51.2Tbps급 스위치에 적용가능한 800Gbps 및 1.6Tbps 광송수신 모듈 개발의 필요성이 대두되고 있음
- 이더넷 스위치의 처리용량이 2년마다 두 배씩 증가하는 추세에 따라 향후 51.2Tbps 및 102.4Tbps급 대용량 스위치를 수용하기 위해서는 기존 400G/800G 이더넷 기술을 넘어 고밀도 장착이 가능한 저전력, 테라비트급 광모듈의 도입이 필요할 것으로 예상됨
- 이러한 흐름에 따라 현재 IEEE에서는 500m ∼ 2km 구간에서 표준 단일모드 광섬유 전송에 대한 1.6Tbps 이더넷 표준을 제정하기 위해 IEEE 802.3dj study group를 결성하여 200Gbps 세기변조 및 직접검출 기술을 기반으로 관련 규격에 대한 논의를 활발하게 진행하고 있음
[그림 1] 이더넷 표준화 현황(IEEE 802.3bs 및 IEEE 802.3dj 참고)
- 채널당 200Gbps 기반의 800Gbps/1.6Tbps급 광모듈 및 광트랜시버는 해외업체를 통해 상용화가 진행되고 있으며, 2025년부터 채널당 200Gbps SerDes 기반 라인카드가 데이터센터에 도입됨에 따라 800Gbps 및 1.6Tbps 광트랜시버의 수요가 급격히 증가할 것으로 예상됨
- 이러한 전망에 따라 주로 50Gbps 및 100Gbps급 이하 제품의 상용화에 집중해 온 국내업체 또한 800Gbps 및 1.6Tbps TOSA/ROSA, 광송수신 엔진 및 광트랜시버 개발에 대한 전략적 대응이 필요한 상황임
- 그러나, 200Gbps급 PAM4 신호는 고주파 손실, RF 반사 및 노이즈 등에 매우 취약하므로 800Gbps 및 1.6Tbps급 광모듈은 기존 50Gbps 및 100Gbps PAM4 기반 광모듈에 비해 설계, 제작 및 특성 측정의 난이도가 높음
- 따라서, 800Gbps 및 1.6Tbps 광송수신 모듈의 특성을 제대로 평가하기 위해서는 고주파에서 RF 반사손실 및 RF 삽입손실을 최소화한 상태로 고속 200Gbps PAM4 신호를 전송할 수 있는 PCB 기술이 필요함
- 본 기술이전 대상인 “200Gbps PAM4 신호 전송을 위한 PCB”의 경우 고속 PAM4 신호를 송수신할 수 있는 RF 전송선로가 형성되어 있으며, 광송수신 모듈 내부에 실장된 각종 전자소자와 광소자를 제어할 수 있는 구동회로가 포함됨
- 특히, 광송수신 모듈과 RF connector의 배치를 고려하여 길이를 최소화하고 배치를 최적화한 형태로 전송선로를 설계함으로써 200Gbps PAM4 신호에 대한 RF 삽입손실 및 RF 반사손실을 최소화하였음
- 이를 위해 송신부(Tx)에는 채널 간격이 2.79mm인 Quad SMPS connector가 배치되며, 수신부(Rx)에는 채널 간격이 2mm 수준으로 매우 좁은 1×8 RF connector가 배치됨
- 또한, 고주파 손실 최소화를 위해 초박막, 저손실 PCB 재질을 사용하고, build-up 공정을 기반으로 stack-up을 구성하였으며, 전송선로 상부의 PSR을 제거함으로써 고주파 손실을 최소화하였음
- 본 PCB에 실장된 MCU를 통해 광송수신 모듈에 내장된 DFB-LD(Distributed Feed-Back Laser Diode), Monitor PD(Photo Diode) 뿐 아니라 TEC 및 TIA를 구동 할 수 있는 제어 회로가 포함됨
- 따라서, 본 PCB는 채널당 200Gbps 기반 광송수신 모듈을 장착하여 광소자 및 전자소자를 구동하고 고주파 특성을 평가할 수 있는 플랫폼을 제공 가능함
가. 기술이전의 내용
- 200Gbps PAM4 신호 전송을 위한 PCB의 설계, 제작 및 평가 기술
- 기술이전할 평가보드의 특성
1. PCB 송신부(Tx)의 TDR 임피던스가 47 ~ 53 ohm 이내로 측정
2. PCB 송신부(Tx)의 RF 반사손실(S11)이 0 ~ 50 GHz 범위에서 -7 dB 이하로 측정
3. PCB 송신부(Tx)의 RF 삽입손실(S21)이 0 ~ 50 GHz 범위에서 3 dB 이하로 측정
4. PCB 송신부(Rx)의 TDR 임피던스가 94 ~ 106 ohm 이내로 측정
5. PCB 송신부(Rx)의 반사손실(S22)이 0 ~ 50 GHz 범위에서 -7 dB 이하로 측정
나. 기술이전의 범위
- 기술 문서 제공
- PCB 평가보드의 설계, 제작 및 평가 관련 기술 교육 진행
1. PCB 평가보드의 회로 설계 기술
2. 고속 PAM4 신호 전송을 위한 고주파 전송선로 배치 및 설계 기술
3. 저손실, 저유전율 PCB 재질을 이용한 PCB
- 본 기술은 차세대 데이터센터용 초고속 광통신 모듈, 800Gbps 및 1.6 Tbps급 광트랜시버용 광송수신 모듈의 고주파 특성 측정을 위한 평가보드 제작에 활용될 수 있으며, 고속 광송수신 모듈 및 평가보드 개발 연구자, 업체를 대상으로 사용될 수 있음
- 특히, 사용자는 본 PCB 상에 200Gbps PAM4 기반 광송수신 모듈을 실장한 후, 외부에서 구동 신호를 인가함으로써 고주파 특성을 측정할 수 있으며, PAM4 신호에 대한 전송 시험 등을 수행할 수 있음
- 본 기술을 통해 최근 해외 주요 업체들을 중심으로 개발 중인 800Gbps 및 1.6Tbps 광송수신 엔진 및 광트랜시버의 국산화에 기여하고 향후 800Gbps 및 1.6Tbps 광트랜시버가 점진적으로 400Gbps 제품을 대체할 것으로 예상되는 데이터센터 통신 시장에서 국내 광트랜시버 업체의 경쟁력 및 주도권 확보에 기여할 수 있음