PAM4 신호 전송 방식과 차세대 기술에서 커넥터의 역할

June 23, 2026

(출처: sdecoret /stock.adobe.com)

혁신은 크게 두 가지 형태로 나타납니다. 어떤 기술은 앞으로의 발전을 예상하여 시대를 앞서 출시됩니다. 초기 태블릿 컴퓨터가 대표적인 예로, 오늘날 태블릿을 대중화시킨 터치스크린 기술이 널리 보급되기 이전부터 소형·휴대형 컴퓨팅에 대한 요구를 충족했습니다. 또 어떤 기술은 시급한 필요에 의해 등장합니다. 이러한 예로는 USB Type-C를 들 수 있는데, 이는 커넥터 분야에서 다양한 충전 케이블과 데이터 커넥터가 혼재하던 복잡한 환경을 해결하기 위한 해결책으로 개발되었습니다.

오늘날 인터커넥트 산업 역시 유사한 과제에 직면해 있습니다. 바로 고속 통신에 대한 수요입니다. 여기에는 5G 통신의 확산, 사물인터넷(IoT), 그리고 최근 급격히 증가한 인공지능(AI) 워크로드가 포함됩니다. 이 같은 급격한 증가는 인터커넥트 인프라에 커다란 부담을 주며 네트워크와 하드웨어를 한계치까지 밀어붙이고 있습니다.

이번 글에서는 최신 인공지능(AI) 및 고성능 컴퓨팅 애플리케이션을 위해 더 높은 데이터 전송률을 가능하게 하는 신호 전송 방식의 변화에 대해 살펴봅니다. 또한 데이터 속도가 증가하는 환경에서, 고속 커넥터가 신호 무결성(signal integrity, SI)을 유지하는 데 어떤 역할을 하는지도 설명합니다.

PAM4 신호 방식

고속 장치에 대한 수요를 충족하기 위해 하드웨어 개발자는 장치의 전송 속도를 높이고 초당 더 많은 신호를 전송할 수 있도록 장치 자체의 성능을 지속적으로 향상시키고 있습니다. 이것이 효과적인 방법이긴 하지만, 전송 속도를 높이지 않고도 데이터 처리량을 늘리는 또 다른 방법이 존재합니다.

첨단 통신 시스템은 두 전압 간의 차이를 이용해 정보를 전송합니다. 수신기는 전압 차이를 인식하여 이를 0과 1의 연속으로 해석하며, 각 전환은 1개의 데이터 비트를 의미합니다. 이처럼 두 개의 전압 레벨을 사용하는 방식을 NRZ(non-return-to-zero) 신호 방식이라고 합니다. 여기서 수신기의 핵심 역할은 전압 차이를 정확히 구별하는 것입니다.

만약 수신기가 두 개 이상의 전압 레벨을 구별할 수 있다면 한 사이클당 더 많은 정보를 전송할 수 있습니다. 예를 들어 두 개 대신 네 개의 전압 레벨을 사용하면 신호 주파수를 증가시키지 않고도 데이터 용량을 두 배로 늘릴 수 있습니다. 이러한 기술을 PAM4(Pulse Amplitude Modulation 4-level)라고 하며, 현재 고속 통신 분야에서 널리 사용되고 있습니다. PAM4 신호 방식은 한 사이클당 2비트를 전송할 수 있기 때문에 시스템 처리량을 두 배로 향상시킵니다.

신호와 노이즈

PAM4는 데이터 전송률 향상에 매우 유용한 기술이지만 여러 과제를 동반합니다. PAM4 신호 방식의 한계를 가장 쉽게 설명하는 방법은 각 기술의 아이 다이어그램(eye diagram)을 비교하는 것입니다. 그림 1과 그림 2는 수신기에 도달하는 전압과 관련한 NRZ와 PAM4 신호를 나타낸 것입니다. 그림 1에서 두 개의 수평선은 전압 레벨을 나타냅니다. 곡선 부분은 두 전압 사이의 전환을 의미하며, 중앙의 빈 공간(즉 eye)은 두 레벨이 명확히 구분됨을 나타냅니다.

그림 1: NRZ 신호 방식에서는 전압이 두 전압 레벨 사이를 스위칭하면서 중앙에 빈 공간, 즉 eye를 형성합니다. (출처: David Pike / Mouser Electronics)

PAM4 아이 다이어그램(그림 2) 역시 구조는 이와 유사하지만, 두 개 대신 네 개의 전압 레벨을 보여줍니다. NRZ 다이어그램과 마찬가지로, PAM4 다이어그램의 빈 공간은 데이터의 명확성을 나타내며, 이를 일반적으로 신호 무결성(signal integrity, SI)이라고 합니다. 그러나 PAM4의 eye는 NRZ보다 더 작기 때문에 거의 모든 전자 장치에서 발생하는 전자기 간섭(EMI)에 더욱 민감합니다.

그림 2: PAM4 신호 방식은 네 개의 전압 레벨 사이에 더 작고 층층이 쌓인 eye를 형성합니다. (출처: David Pike / Mouser Electronics)

PAM4 변조 방식은 일반적으로 높은 심볼 속도(symbol rate) 환경에서 사용되며, 이 경우 다른 요소들도 신호 무결성에 영향을 미칩니다. 높은 주파수에서는 누화(crosstalk), 반사(reflection), 삽입 손실(insertion loss)이 더욱 두드러집니다. 신호 경로 상의 임피던스 불연속은 반사를 유발하여 신호 대 잡음비(SNR)를 크게 저하시킬 수 있습니다. 또한 높은 데이터 전송률에서는 작은 손실조차도 신호 무결성을 악화시킬 수 있습니다.

PAM4 신호는 지터(jitter)에도 매우 민감합니다. 이상적인 PAM4 또는 NRZ 환경에서는 전압 레벨 간 전환이 완벽하게 일정한 간격으로 발생해야 합니다. 하지만 간섭과 전송 경로의 불완전성으로 인해 전환 시점이 시간축 상에서 조금씩 앞뒤로 이동하게 되며, 이는 비트 오류율(BER)을 증가시킵니다. BER은 수신된 데이터의 정확도를 나타내는 지표입니다. 오늘날과 같은 초고속 데이터 환경에서는 낮은 BER조차 초당 수백만 건의 오류를 의미할 수 있습니다.

적절한 커넥터 선택

송신기와 수신기 사이의 전체 케이블 및 커넥터 시스템으로 구성되는 신호 체인은 신호 무결성을 유지하는 데 매우 중요한 역할을 하며, 애플리케이션에 따라 다양한 기술이 사용됩니다. 랙 간 또는 데이터센터 간 장거리 전송에는 광섬유가 여전히 가장 적합한 매체입니다. 광섬유는 감쇠가 낮고 EMI의 영향을 받지 않기 때문에 장거리 고속 데이터 전송에 유리합니다. 장거리에서 신호 무결성을 유지하기 위해 전기·광 변환에 비용과 복잡성을 추가하는 것은 충분히 받아들일 수 있는 일입니다.

일부 애플리케이션은 보다 짧은 거리에서 데이터 전송이 필요합니다. 예를 들어 ToR(top-of-rack)과 MoR(middle-of-row) 간 연결이나 고성능 컴퓨팅 환경이 이에 해당합니다. 이러한 경우, 비록 거리는 짧지만 수동형 구리 케이블만으로는 신호 무결성을 유지하기 어렵습니다. 이때 사용되는 액티브 케이블은 케이블 내부의 전자 회로를 이용해 신호 품질을 유지합니다. 하지만 이러한 케이블은 외부 전원이 필요하므로 비용과 복잡성이 증가하며, 추가적인 전력 소비로 인해 발열 문제도 발생합니다. 이는 현대 데이터센터 설계에서 중요한 고려 사항입니다.

보드 간 또는 섀시 내부와 같은 짧은 거리 연결은 수동형 구리 채널을 통해 전송할 수 있습니다. 복잡한 광 시스템이나 외부 전원이 필요하지 않기 때문에 이러한 보드-투-보드 솔루션은 더욱 소형화되고 에너지 효율적일 수 있습니다. 그러나 모든 커넥터가 초고속 환경에 적합한 것은 아닙니다.

몰렉스(Molex)의 미러 메즈(Mirror Mezz) 커넥터는 오늘날 데이터센터 및 고성능 컴퓨팅(HPC) 시스템에서 일반적으로 사용되는 메자닌(mezzanine) 애플리케이션용 보드-투-보드 커넥터입니다. 미러 메즈 커넥터는 다른 핵심 부품을 위한 공간을 확보할 수 있을 만큼 소형이며, 높은 차동 페어(differential pair) 수와 매우 낮은 누화 특성을 제공합니다. 또한 이 제품은 107~115 DP/in²의 매우 높은 밀도와 56Gbps PAM4 성능을 제공하도록 설계되어, 가장 까다로운 애플리케이션의 데이터 요구사항까지 지원할 수 있습니다.

미러 메즈 커넥터는 자가 결합(self-mating)이 가능한 암수동체(hermaphroditic) 인터페이스를 사용하여 필요한 부품 수를 줄이고 BOM(bill of materials)을 단순화합니다. 또한 플렉스 케이블과 호환되므로, 성능 저하 없이 보드 간 거리를 확장할 수 있습니다.

몰렉스 미러 메즈 프로(Mirror Mezz Pro)는 최대 112Gbps PAM4 데이터 속도를 지원하므로 주류 AI 및 클라우드 애플리케이션에 적합합니다. 최대 115 DP/in²의 초고밀도를 제공하면서도 콤팩트한 크기로 우수한 성능을 구현합니다. 또한 낮은 삽입 손실과 낮은 누화 특성을 통해 56Gbps NRZ 또는 112Gbps PAM4 환경에서도 우수한 신호 무결성을 유지할 수 있습니다.

맺음말

고속 신호 설계는 더 빠른 데이터 전송률, 낮은 신호 손실, 적은 간섭, 최소한의 전력 소비라는 상충되는 요구사항 간 균형을 동시에 맞추는 작업입니다. PAM4는 현대 워크로드가 요구하는 데이터 속도를 제공하는 핵심 기술입니다. 또한 짧은 거리와 고밀도 환경에서는 몰렉스 미러 메즈 제품군과 같은 커넥터가 뛰어난 성능과 기계적 신뢰성을 제공하여, 설계자가 현재의 과제를 해결하는 동시에 차세대 신호 기술에 대비할 수 있도록 지원합니다.