차세대 AI 반도체의 열쇠, 실리콘 포토닉스. 엔비디아가 삼성 대신 TSMC를 선택한 배경과 기술적 전략을 분석해봅니다.
목 차
- 엔비디아와 TSMC의 전략적 협력, 무엇이 다른가?
- 실리콘 포토닉스란? 왜 AI 시대에 핵심 기술이 되었나
- CPO(공패키지 옵틱스), 게임 체인저 될까?
- TSMC가 기술 우위를 점하는 이유
- 삼성은 왜 뒤처졌을까?
- 글로벌 생태계와 한국의 위기
- 전문가 분석: TSMC와 협력한 유니콘 기업들의 비전
- 실리콘 포토닉스, 단순한 트렌드인가 미래의 표준인가?
- 한국 반도체 산업의 대전환이 필요한 이유
- 마무리: 지금은 '빛의 전쟁'을 준비할 때
1. 엔비디아와 TSMC의 전략적 협력, 무엇이 다른가?
AI 시대의 주도권을 잡기 위해 엔비디아가 선택한 파트너는 놀랍게도 삼성전자 아닌 **TSMC(대만 반도체 제조사)**였습니다. 이들이 협력한 기술은 '실리콘 포토닉스', 즉 광(光) 반도체 기술입니다. GPU 기술에서 세계 1위를 달리는 엔비디아가 신뢰를 보낸 건 기술적 우위뿐만 아니라 생산 안정성, 패키징 기술, 생태계 조성 등 전방위적 경쟁력이 기반이었습니다.
2. 실리콘 포토닉스란? 왜 AI 시대에 핵심 기술이 되었나
'실리콘 포토닉스(Silicon Photonics)'는 말 그대로 빛을 주고받으며 연산하는 반도체 기술입니다. 기존 칩은 전기신호를 사용해 정보를 주고받았지만, AI 시대의 데이터량 폭증으로 인해 이 방식이 병목현상을 일으키고 있습니다.
실리콘 포토닉스를 활용하면, 정보 전달 속도가 전기의 수백~수천 배 이상 빠른 광신호로 대체되며, 속도는 증가하고 전력 소모는 감소하게 됩니다. 이는 곧 AI 서버의 성능 혁신으로 이어집니다.
3. CPO(공패키지 옵틱스), 게임 체인저 될까?
엔비디아는 핫칩스2025에서 CPO(Co-Packaged Optics) 기술을 공개했습니다. CPO란 GPU나 스위치 칩 옆에 광 모듈을 직접 집적하는 방식으로, 트랜시버를 거치는 기존 방식보다 지연시간을 줄이고 에너지 효율을 높이는 혁신 기술입니다.
이 기술은 단순히 '좋은 기술'을 넘어서 실제 상용화된 실리콘 포토닉스 서버에서 작동하고 있으며, 데이터 전송량은 2배, 전력 소모는 1/4, 신호 품질은 63배 향상되었다고 합니다.
4. TSMC가 기술 우위를 점하는 이유
이러한 혁신을 가능하게 만든 TSMC의 경쟁력은 하이브리드 본딩 패키징, 65나노 광소자 제조, 포토닉스 PDK 제공 등입니다. 단순 제조가 아닌 **전체 설계-제조 생태계(PDK 포함)**를 제공하며, 고객 맞춤형 광통신 칩 개발을 지원하고 있습니다.
이 때문에 실리콘 포토닉스를 필요로 하는 기업들이 TSMC로 몰리는 것입니다. 단순 파운드리가 아닌 생태계를 설계하고 주도하는 기술 파트너로 자리매김하고 있죠.
5. 삼성은 왜 뒤처졌을까?
삼성 파운드리는 2027년까지 실리콘 포토닉스 CPO 양산을 목표로 하고 있지만, 현재는 제품과 생태계 모두 부재합니다. TSMC와 달리 PDK도 정립되지 않았고, 협력하는 스타트업의 수도 부족합니다. 브로드컴과 일부 협력 중이나 엔비디아, 셀레스티얼AI, 라이트매터 등 핵심 기업들은 TSMC와 협업 중입니다.
기술력이 부족하다기보다는 시장 접근과 전략적 투자, 생태계 운영 면에서 차이가 크다는 분석입니다.
6. 글로벌 생태계와 한국의 위기
TSMC와 손잡은 실리콘 포토닉스 스타트업은 이미 유니콘이 다수입니다. 아야랩스, 라이트매터, 셀레스티얼AI 등이 대표적인 예입니다. 이들은 포토닉스를 단순한 '스위치 기술'이 아닌, 칩 인터포저 아래까지 침투시켜 새로운 컴퓨팅 아키텍처를 만들어가고 있습니다.
반면 한국은 아직도 실리콘 포토닉스를 "연구실 기술" 수준에서 머무르고 있으며, 생태계 자체가 존재하지 않는 수준입니다.
실리콘 포토닉스 생태계
TSMC는 SPIL, TFC, 브로웨이브 등 대만 반도체 부품 기업들과 협력하여 실리콘 포토닉스 생태계를 구축하고 있다. 또한, 아야랩스, 셀레스티얼AI, 라이트매터 등 실리콘 포토닉스 유망 기업들과 협력하고 있으며, 이들 기업은 TSMC와 손잡고 새로운 기술을 개발하고 있다. 삼성전자도 브로드컴과 협력하고 있지만, 엔비디아를 포함한 다수의 실리콘 포토닉스 유망주들이 TSMC와 협력하고 있는 현실을 고려할 때, 삼성전자의 실리콘 포토닉스 기술은 아직까지 갈 길이 먼 상황으로 해석될 수 있다.
7. 전문가 분석: TSMC와 협력한 유니콘 기업들의 비전
이들 유니콘 기업이 TSMC를 택한 이유는 무엇일까요? 바로 TSMC가 이미 실리콘 포토닉스를 위한 다양한 PDK와 설계 노하우, 제조 인프라를 제공하고 있기 때문입니다.
예를 들어, 아야랩스는 인터포저 방식으로 GPU보다 더 빠른 통신을 구현하는 방식으로 AI 학습 및 추론의 속도를 획기적으로 높이고 있습니다. 이런 기업들은 미국은 물론 유럽, 대만 정부의 기술투자까지 받고 있는 상태입니다.
8. 실리콘 포토닉스, 단순한 트렌드인가 미래의 표준인가?
일부에선 실리콘 포토닉스를 '하이프(hype)'라고 보기도 하지만, 이제는 데이터센터 실물에 적용되고 실적까지 나오는 기술입니다. 엔비디아가 CPO 실물을 공개한 순간부터 게임의 판도가 바뀌었습니다.
트랜시버 시대는 저물고 있으며, 차세대 GPU, AI ASIC 칩, 메모리 모듈 모두 실리콘 포토닉스를 고려해야 하는 상황입니다.
9. 한국 반도체 산업의 대전환이 필요한 이유
한국은 메모리 중심 반도체 강국으로 불립니다. 하지만 인터커넥트 기술, 광학 반도체 기술, 실리콘 포토닉스 생태계는 그야말로 사각지대입니다.
2025년 지금도 실리콘 포토닉스 관련 인재는 연간 100명도 채 되지 않으며, 기업 수는 손에 꼽을 정도입니다. 투자는 늦고, 기회는 빠르게 사라집니다. 지금이 아니면 또 한 번 패권 경쟁에서 밀리는 순간이 될 수 있습니다.
10. 마무리: 지금은 '빛의 전쟁'을 준비할 때
엔비디아가 삼성전자 대신 TSMC와 광 반도체 동맹을 맺은 배경에는 TSMC의 기술력, 투자, 엔비디아와의 강력한 동맹, 그리고 실리콘 포토닉스 생태계 등 여러 요인이 복합적으로 작용한 것으로 보인다. 삼성전자 역시 광 반도체 기술 개발에 박차를 가하고 있지만, TSMC와의 경쟁에서 우위를 확보하기 위해서는 더 많은 투자와 기술 혁신이 필요할 것으로 예상된다.
인터커넥트의 시대입니다. 칩과 칩을, 랙과 랙을 연결하는 속도 싸움에서 빛을 다룰 줄 아는 기업이 승자가 될 것입니다. 엔비디아와 TSMC가 앞서 있는 이유는 단순한 제조가 아니라 생태계, 전략, 비전까지 준비되어 있기 때문입니다.
삼성전자와 국내 반도체 생태계도 지금이 실리콘 포토닉스에 투자하고 집중해야 할 마지막 기회일지 모릅니다. 늦기 전에 산학협력, 정부 지원, 기술개발이 일원화돼야 합니다.