광통신에 양자칩까지…가온칩스, '연산 1000배' 꿈의 반도체 설계가 갖는 의미는

KIST·삼성전자와 '전력소비 100분의 1' 최종 목표…차세대 패키징 최강자로 '우뚝'

KIST·삼성전자와 '전력소비 100분의 1' 최종 목표…차세대 패키징 최강자로 '우뚝'

한국과학기술연구원이 삼성전자, 가온칩스와 함께 상보형 금속 산화물 반도체 기반 랜덤처리장치 칩 설계를 완료하면서 차세대 연산 반도체 생태계 조기 구축에 본격 시동을 걸었다. 이에 가온칩스가 시장의 주목을 받고 있다. ⓒ 제미나이 생성 이미지

[프라임경제] 한국과학기술연구원(KIST)이 삼성전자, 가온칩스와 함께 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 기반 랜덤처리장치(RPU) 칩 설계를 완료하면서 차세대 연산 반도체 생태계 조기 구축에 본격 시동을 걸었다. 

특히 양자 부문의 광자 양자칩(QPU) 기술 및 초저전력 달성을 위한 차세대 광통신(CPO·광 인터커넥트) 연계 가능성이 함께 주목받으면서 공식 디자인하우스(DSP)로 참여한 가온칩스의 기술적 입지가 재조명되고 있다.

◆ '전력 100분의 1' 한계 돌파할 광통신·CPO 접목 '주목'

KIST는 지난 17일 차세대 반도체 연구소의 핵심 성과로 CMOS 기반 RPU 칩 설계를 완료하고, 수학적 난제를 해결할 알고리즘 3종인 △맥스컷 △SAT △TSP를 하드웨어 상에서 구현하는 데 성공했다고 밝혔다. 

이번 프로젝트에서 삼성전자는 파운드리 생산을, 가온칩스는 디자인 솔루션 파트너로서 칩 설계를 공식 지원했다. 

연구소는 이를 바탕으로 오는 2030년까지 현대, 네이버, 쿠팡 등 국내 대표 플랫폼·물류·모빌리티 대기업들이 대거 참여하는 '5000 큐비트급 RPU'를 개발할 계획이다. 최종적으로 2034년까지 기존 대비 '연산 능력 1000배' 및 '전력 소비 100분의 1'을 달성해 현존 컴퓨팅 기술로는 불가능한 초고난도 연산을 수행한다는 청사진이다.

전문가들은 이번 프로젝트가 궁극적으로 차세대 광통신 기술과의 융합으로 이어질 것으로 보고 있다.

기존 구리 배선 기반의 전기 신호(Electrical I/O)는 고속·대용량 데이터 전송 구간에서 발열과 신호 왜곡, 막대한 전력 소모를 유발하는 물리적 한계를 지닌다. 

따라서 칩 자체의 연산 전력을 100분의 1로 낮추더라도 칩과 칩, 가속기와 서버 사이의 데이터 병목을 해소하기 위해서는 빛(광자)으로 신호를 전달하는 광 인터커넥트 및 연산 칩과 광학 모듈을 원칩화하는 CPO 기술 도입이 필수적인 수순으로 꼽힌다.

특히 KIST가 연내 실용화 기반을 구축 중인 양자칩(QPU)과 상용 CMOS 기반의 RPU가 결합하는 이종 컴퓨팅(Heterogeneous Computing) 시스템을 구현하려면, 전기 신호와 광 신호를 고속·저손실로 상호 변환하는 실리콘 포토닉스(Silicon Photonics) 인터페이스의 접목이 핵심 열쇠가 될 전망이다. 

여기에 현대, 네이버, 쿠팡 등 초대형 데이터센터와 물류 플랫폼을 운용하는 대기업들이 실수요자로 결합해 초저전력 광통신 기반 연산 인프라의 상용화 테스트베드가 조기에 형성될 것으로 기대된다.

이에 대해 한 반도체 업계 관계자는 "현존 컴퓨팅의 폰 노이만 병목과 전력 한계를 넘기 위해 CMOS 기반 RPU와 광자(Photonics) 기술의 결합은 필연적인 경로"라며 "연산부뿐 아니라 칩 간 입출력(I/O) 단까지 광통신 기반으로 전환돼야 비로소 전력 100분의 1 감축이라는 파괴적 혁신이 현실화될 수 있다"고 설명했다.

◆ 가온칩스, '초고난도 설계·광 인터페이스 패키징·양산 파이프라인' 수혜 가시화

삼성 파운드리 생태계 내 핵심 디자인 솔루션 파트너로서 이번 RPU 칩 설계를 지원한 가온칩스 역시 사업 영역과 중장기 실적 측면에서 강력한 모멘텀을 확보했다는 평가다. 

금융투자 및 반도체 업계에서는 이번 성과가 가온칩스에 미칠 긍정적 효과를 네 가지로 꼽고 있다.

첫째, 차세대 아키텍처 기반의 고부가가치 개발용역(NRE) 매출 확대다. 

통상적인 범용 프로세서나 단순 가속기를 뛰어넘는 신개념 RPU 설계 과제를 성공적으로 완수함으로써 기술력을 시장에 입증했다. 2030년 5000 큐비트급 고도화와 2034년 최종 목표로 이어지는 장기 로드맵 과정에서 지속적이고 안정적인 엔지니어링 용역 매출 유입이 가능하며, 차세대 국가 반도체 프로젝트에서도 우선적 파트너 지위를 굳히게 됐다는 평가다.

둘째, 광 인터커넥트 및 첨단 패키징(Advanced Packaging) 설계 영역으로의 확장이다. 

RPU와 향후 광자 QPU 연계 시스템이 고도화될수록 초고속 광통신 인터페이스(Optical I/O) IP를 칩에 집적하고, 2.5D/3D 이종 집적 패키징 기술을 최적화하는 백엔드 설계 난이도가 급상승한다. 

가온칩스는 첨단 패키징 설계 경험을 바탕으로 향후 실리콘 포토닉스 및 광-전자 통합 칩 설계 솔루션 영역까지 수주 풀을 선제적으로 넓힐 수 있는 발판을 마련했다.

셋째, 삼성 파운드리 연계 '턴키(Turn-key)' 양산 파이프라인 선점이다. 디자인하우스의 수익 구조는 초기 개발(NRE)을 거쳐 고객사 칩이 상용화될 때 발생하는 양산 매출로 완성된다. 

'KIST-삼성전자-가온칩스' 체제로 개발된 칩이 현대, 네이버, 쿠팡의 실증을 거쳐 본격 양산 체제로 전환될 경우, 초기 설계를 주도한 가온칩스가 파운드리 위탁부터 테스트·공급까지 아우르는 턴키 양산 계약을 확보할 가능성이 매우 높다.

넷째, 글로벌 차세대 컴퓨팅 팹리스 유치 경쟁력 강화다. 상용 CMOS 공정 위에서 초저전력 난제 연산을 구현한 RPU 레퍼런스와 광통신 인터페이스 대응 역량은, 향후 글로벌 고성능 컴퓨팅(HPC) 및 특수 목적 ASIC을 개발하려는 글로벌 팹리스 고객사들을 유치하는 과정에서 독보적인 기술적 진입장벽이자 강력한 차별화 요소로 작용할 전망이다.

관련해 금융투자업계 관계자는 "가온칩스가 삼성 파운드리 생태계 내에서 미세공정을 넘어 RPU와 광자 기술이 맞물리는 차세대 컴퓨팅 영역까지 핵심 설계 레퍼런스를 선점했다"며 "개발 단계의 고마진 용역 수수료는 물론 대기업 실증 이후의 대규모 양산 매출, 나아가 광통신 패키징 솔루션 확장까지 연결되는 견고한 중장기 성장 파이프라인을 구축했다"고 평가했다.