구리선 시대는 이제 끝! AI 실리콘 포토닉스 산업 사슬과 주요 미국 주식 투자 대상 이해하기

저자: 고도

AI 분야에서 가장 주목받는 두 가지 영역은 스토리지와 광학입니다. 저는 이전에 스토리지 프레임워크에 대해 글을 썼는데( AI 스토리지 레이어의 수익 구조와 산업 환경을 한 번에 이해하기 ), 이번 글에서는 광학에 대해 집중적으로 다루겠습니다.

실리콘 포토닉스는 컴퓨터 칩 간의 통신에 사용되며, 기존의 구리선을 대체합니다. 아래 그림은 이를 명확하게 보여줍니다.

사람들이 접하고 혼동할 수 있는 용어인 LPO(선형 플러그형 광학 소자), CPO(공동 패키징 광학 소자), OCS(광 경로 스위칭) 및 광 I/O(광 입력/출력)는 실리콘 포토닉스를 구현하기 위한 서로 다른 기술적 접근 방식입니다.

전통적으로 칩은 통신에 구리선을 사용했습니다. 실리콘 포토닉스 칩은 빛을 생성하는 레이저, 빛을 변조하는 변조기, 그리고 빛을 수신하는 검출기를 실리콘 칩에 직접 통합하여 광자 통신을 가능하게 합니다.

그렇다면 왜 구리를 대체해야 할까요? 그리고 다른 소재 대신 실리콘 포토닉스를 사용하는 이유는 무엇일까요?

첫째, 구리선은 1.6T 이상의 신호를 전송할 때 물리적 한계에 거의 도달하여 신호가 불완전해집니다. 따라서 재료 변경을 고려해야 합니다. 이는 가장 중요하지만 피할 수 없는 문제입니다. 기술 용어로는 "대역폭 장벽"이라고 합니다.

둘째로, 구리는 물리적인 실체적 구성 요소인데, GPU 클러스터의 크기가 커짐에 따라 구리 케이블을 설치할 공간이 부족해졌습니다. 이것이 구리를 대체해야 했던 또 다른 이유입니다. 광케이블은 다릅니다. 광 인터페이스를 스위치 칩 바로 옆에 납땜할 수 있어 배선량을 크게 줄일 수 있습니다. 이를 기술 용어로 "스케일 월(scale wall)"이라고 합니다.

둘째로, 구리는 전력을 너무 많이 소모합니다. 메가와트급 시설에서 사용되는 실리콘 포토닉스는 하루에 수만 킬로와트시의 전력을 절약할 수 있는데, 이 전력은 모두 구리선 통신에 소비되는 것입니다. 광섬유로 전환하면 절약된 전력을 실제 연산 작업을 위해 GPU로 재분배할 수 있습니다. 이를 기술 용어로 '파워월(powerwall)'이라고 합니다.

더욱 흥미로운 점은 실리콘 포토닉스가 기존 반도체의 성숙한 CMOS 제조 공정을 활용할 수 있다는 것입니다. 따라서 새로운 공장을 처음부터 건설할 필요가 없으며 저비용 대량 생산이 가능해집니다.

물론 실리콘 포토닉스에도 단점이 있습니다. 실리콘 자체는 효율적으로 빛을 방출할 수 없기 때문에 인듐 인화물(InP) 소재에 의존해야 합니다. 이것이 전체 산업 사슬에서 가장 중요한 병목 현상이 되었습니다.

실리콘 포토닉스 기술의 발전

가장 중요한 전환점은 2025년 3월, NVIDIA가 GTC 컨퍼런스에서 Quantum-X와 Spectrum-X 광자 스위치를 공개했을 때였습니다. 젠슨 황 CEO는 차세대 Rubin부터 "광 인터커넥트는 선택 사항이 아니라 표준 기능이 될 것"이라고 발표했습니다.

일주일 후, 엔비디아는 핵심 공급망 확보를 위해 코히런트와 루멘텀에 총 40억 달러를 투자한다고 발표했습니다.

실리콘 기반 광전 효과에 관한 논문은 1980년대에 발표되었으며, 인텔과 IBM은 2004년에서 2014년 사이에 실리콘 기반 광 변조기를 제조했습니다.

지난 10년간 AWS, 구글, 메타와 같은 대형 클라우드 서비스 제공업체들은 실리콘 포토닉스를 사용했지만, 당시에는 광섬유 통신의 일부에 불과했습니다.

현재 산업 환경

1) 하단층: 웨이퍼 파운드리

포토닉스 칩 제조 분야에서 TSMC (TSM) 는 쿠페 공정으로 선두를 달리고 있으며, 타워 세미컨덕터 (TSEM)는 실리콘 포토닉스 파운드리 서비스에 특화되어 있습니다. TSEM의 실리콘 포토닉스 매출은 2025년까지 전년 대비 70% 성장할 것으로 예상됩니다. 글로벌파운드리 (GFS) 는 싱가포르의 AMF를 인수하면서 세계 최대 규모의 실리콘 포토닉스 전문 파운드리로 발돋움했습니다.

2) 2단계: 핵심 부품 공급업체

이들은 주로 인듐인화물(InP) 레이저를 비롯한 레이저, 변조기 등을 제공합니다. 고속 EML 레이저를 제조할 수 있는 회사는 전 세계적으로 5개 미만입니다.

루멘 텀(LITE) 은 1.6T 광 모듈의 핵심 부품인 200G/레인 EML 레이저를 대량 생산할 수 있는 유일한 제조업체입니다. NVIDIA는 루멘텀의 생산 능력을 확보하기 위해 2027년까지 주문을 이미 체결했습니다.

3) 세 번째 계층: 모듈 및 시스템 제조업체

이들은 부품들을 조립하여 제품을 만듭니다. 코히런트는 전 세계 광 트랜시버 시장에서 25%의 시장 점유율을 차지하고 있습니다. 이노라이트, 옵토링크, 액셀링크와 같은 중국 기업들은 생산 규모와 비용 경쟁력 면에서 강력한 경쟁자입니다.

4) 최상위 레벨: 시스템 통합업체

엔비디아, 시스코, 브로드컴, 마벨 모두 이 층에 있습니다.

요약하자면,

엔비디 엔비다

시장 지배적 지위는 AI 데이터 센터가 채택할 상호 연결 표준을 결정하고 전략적 투자를 통해 공급망을 확보합니다.

브로드컴 $AVGO

네트워크 스위칭 칩 분야에서 명실상부한 선두주자이며 이더넷 스위치 시장 점유율의 거의 80%를 차지하는 Tomahawk 6-Davisson은 세계 최초의 102.4Tbps CPO 스위치입니다.

마벨 $MRVL

브로드컴의 가장 강력한 경쟁자인 이 회사는 PAM4 광 DSP 시장에서 60~70%의 점유율을 차지하며 시장을 장악하고 있습니다. 최근 셀레스티얼 AI를 인수하면서 칩 간 광 인터커넥트 시장에도 진출할 수 있게 되었습니다.

루멘텀 $LITE

EML 레이저의 가장 중요한 공급업체. 200G/레인 EML을 대량 생산할 수 있는 세계 유일의 제조업체인 NVIDIA는 이미 2027년 이후까지 주문을 확보했습니다.

일관성 있는 $COHR

소재, 레이저, 모듈 등 산업 전반에 걸쳐 사업을 영위하는 통합 기업입니다. 2025 회계연도 매출액 58억 달러를 기록하며 광 트랜시버 시장 점유율 1위를 차지하고 있습니다.

TSMC $TSM

NVIDIA는 공정 기술 분야의 표준을 제시하는 기업입니다. NVIDIA의 65nm 실리콘 포토닉스 공정은 이미 양산 중이며, COUPE 플랫폼은 현재 가장 앞선 3D 이종 집적 솔루션입니다. NVIDIA의 CPO 로드맵은 이러한 COUPE 플랫폼과 밀접하게 연관되어 있습니다.

타워 반도체 $TSEM

실리콘 포토닉스 파운드리 서비스의 가장 순수한 수혜자입니다. 실리콘 포토닉스 매출은 2025년까지 전년 대비 70% 성장할 것으로 예상되며, 회사는 생산 능력을 세 배로 늘리기 위해 6억 5천만 달러를 투자하고 있습니다. 이 회사의 시가총액 탄력성은 모든 주식 중에서 가장 강력합니다.

Lightmatter / Ayar Labs: 비상장/IPO 후보 기업

44억 달러의 기업 가치를 가진 라이트매터(Lightmatter)는 3D 광자 인터커넥트에 주력하고 있으며, AMD, 인텔, NVIDIA로부터 투자를 받은 아야르 랩스(Ayar Labs)는 광 I/O 칩에 주력하고 있습니다. 두 회사 모두 대형 IPO 후보로 거론되고 있습니다.

실리콘 포토닉스 붐이 가치 평가 논리를 바꾸고 있다

예를 들어, 월스트리트는 과거에 타워 반도체의 가치를 일반적인 위탁 제조업체의 가치 평가 기준, 즉 주가매출비율을 약 2~3배로 평가했습니다.

하지만 실리콘 포토닉스 사업이 전체 매출의 5%에서 30~40%로 성장함에 따라 시장은 이를 AI 인프라에서 희소한 자산으로 재평가하기 시작했으며, 주가매출비율은 6~10배까지 상승할 것으로 예상됩니다.

과거 통신 부품 공급업체였던 루멘텀과 코히런트는 이제 AI 연결에 필수적인 부품 공급업체로 재조명받고 있습니다. 뱅크오브아메리카(BofA)의 애널리스트 비벡 아리아는 마벨의 목표 주가를 200달러로 상향 조정하며, 마벨을 통신 칩 제조업체가 아닌 AI 인프라 플랫폼 기업으로 평가했습니다.

Evercore ISI도 시스코에 대해 비슷한 평가를 내리고 있습니다. 실리콘 포토닉스 제품이 하이퍼스케일 데이터 센터에 더욱 깊숙이 침투함에 따라 시스코의 핵심 AI 매출이 향후 3~4년 내에 30억 달러에서 120억~150억 달러로 급증할 수 있다는 것입니다.

실리콘 포토닉스 산업의 해자

실리콘 포토닉스 산업은 인공지능 붐이 일어나기 훨씬 이전부터 각 공정이 오랜 개발 기간을 거쳤기 때문에 승자독식 구조가 뚜렷하게 나타납니다.

InP 레이저의 경우, 전 세계적으로 고성능 EML 레이저를 대량 생산할 수 있는 기업은 5곳 미만이며, 생산 능력 확장 주기는 3~5년입니다. 이는 전체 산업 공급망에서 가장 큰 병목 현상입니다.

TSMC의 쿠페 공정. 3D 이종 집적 분야의 기술적 장벽으로, 경쟁사들은 최소 두 세대 이상 뒤처져 있으며 수율 향상을 위해서는 수년간의 경험이 필요합니다.

OEM PDK 생태계. 고객이 특정 OEM과 설계 작업을 완료한 후에는 재설계 및 재인증에 12~18개월이 소요될 수 있으므로 전환하는 데 막대한 비용이 발생합니다.

열 관리 및 패키징. CPO(최고 제품 책임자)는 불과 몇 밀리미터의 공간에서 전기, 열, 광학이라는 세 가지 물리적 영역의 결합을 관리해야 합니다. 이를 위해서는 수년간의 시스템 통합 경험이 필요합니다.

AWS나 구글 같은 대기업의 공급업체 인증 절차는 일반적으로 12~24개월이 소요됩니다. 하지만 일단 인증을 받으면 고객 충성도가 매우 높아집니다.

위험과 냉철한 사고

전체 산업 사슬의 성장은 마이크로소프트, 구글, 메타, 아마존, 오라클 등 5대 하이퍼스케일 클라우드 공급업체의 자본 지출에 크게 좌우됩니다.

기술적 경로에는 LPO(선형 플러그형 광학 소자), CPO(공동 패키징 광학 소자), OCS(광 경로 스위칭) 및 광 I/O(광 입력/출력)와 같은 대안이 있습니다. 한 경로가 다른 경로로 대체될 경우, 이전 경로에 투자된 자본은 감가상각 및 손상차손을 겪을 수 있습니다.

LightCounting과 같은 연구 기관들은 대규모 CPO 배포가 2028년 이후에나 이루어질 것이며, 그 전까지는 LPO 및 기타 과도기적 솔루션이 테스트 목적으로 더 많이 사용될 것이라고 예측합니다.

그러므로 특정 기업 하나에 승부를 거는 것보다 산업 전체의 승부에 거는 것이 더 안전합니다.