Par Jeremy Cook
Les ordinateurs ont besoin d'énergie électrique pour fonctionner. Au niveau de l'unité centrale, la majorité de cette énergie entrante est transformée en chaleur lorsqu'elle traite des 1 et des 0. Les ingénieurs doivent donc gérer les problèmes thermiques ainsi que le refroidissement de l'unité centrale à l'heure de concevoir un ordinateur pour éviter de « cuire » l'équipement sous une lourde charge. Le concept est simple : il faut extraire plus de chaleur que la quantité d'énergie thermique générée par le processeur en tenant compte des pics d'utilisation.
Dans cet article, nous examinons les différents types de refroidissement de l'unité centrale disponibles, des plus simples - voire inexistants - aux plus extrêmes, rarement appliqués dans des scénarios réels.
Pas de refroidissement supplémentaire de l'unité centrale : c'est OK (peut-être)
Dans la plupart des unités simples, le refroidissement de l'unité centrale n'est pas pris en compte dans la conception. Pensez à la série ATTiny de microcontrôleurs à faible consommation d'énergie. Leur faible consommation d'énergie signifie que la quantité minime de chaleur générée est facilement dissipée. Dans d'autres cas, notamment les ordinateurs à une seule carte (SBC) Raspberry Pi, l'accumulation de chaleur peut être plus que problématique. Cependant, si le processeur ne subit rien de trop intensif, il est généralement capable d'évacuer suffisamment de chaleur sans problème. L'accumulation et la dissipation de chaleur de l'unité centrale étant cumulatives, un bref pic d'activité peut ne pas déclencher d'alarme thermique, mais une charge thermique soutenue peut poser problème.
Dans le cas du Raspberry Pi, le fonctionnement de l'unité centrale est ralenti lorsqu'elle est trop chaude, de sorte que vous n'endommagerez pas votre matériel de façon permanente (du moins espérons-le). Parallèlement, cela signifie que de meilleures performances seraient facilement accessibles avec un refroidissement supplémentaire.
Refroidissement de base de l'unité centrale : dissipateur thermique plus ventilateur
La méthode de refroidissement la plus élémentaire consiste à installer un dissipateur thermique directement sur le processeur à l'aide de colle thermique ou d'adhésif thermique (collectivement appelé TIM ou matériau d'interface thermique). Généralement constitué de cuivre ou d'aluminium hautement conducteur de chaleur, le dissipateur thermique multiplie essentiellement la surface par laquelle la chaleur peut s'échapper de votre processeur.
Dans son rôle d'échangeur de chaleur, le cuivre offre une meilleure conductivité thermique (~400 W/m*k) que l'aluminium (~200 W/m*k). Le cuivre est cependant plus cher et plus lourd que l'aluminium. Même si vous ne choisissez pas directement le matériau lors de l'achat d'un échangeur de chaleur, c'est un aspect auquel il faut faire attention.
La dissipation thermique peut encore être améliorée en utilisant un ventilateur de refroidissement d'unité centrale pour souffler activement de l'air sur un dissipateur thermique, améliorant ainsi considérablement les performances, car de l'air plus frais circule constamment sur les ailettes. L'inconvénient est que les ventilateurs proprement dits nécessitent de l'énergie ainsi qu'un contrôleur (à moins qu'ils ne fonctionnent en permanence) et produisent du bruit. Les ventilateurs peuvent aussi s'user avec le temps et cette circulation constante de l'air peut introduire de la poussière à l'intérieur du système.
Refroidissement amélioré de l'unité centrale : caloducs et chambres à vide (plus ventilateur)
L'étape suivante après le robuste dissipateur thermique en métal, consiste à utiliser des caloducs et/ou une chambre à vide. Les deux appareils utilisent un fluide thermique (souvent simplement de l'eau) qui s'évapore lorsqu'il est chauffé par un processeur, absorbant ainsi la chaleur. Dans le cas des caloducs, le fluide évaporé transporte l'énergie thermique à travers les tuyaux vers une zone plus froide. Ensuite, il se condense (libérant de l'énergie thermique) et revient vers la zone plus chaude de l'unité centrale via une surface de mèche sous l'action capillaire.
Une chambre à vide fonctionne selon le même cycle d'évaporation/condensation que les caloducs. Au lieu de prendre la forme d'un long tube (souvent plié), les chambres à vide prennent généralement la forme d'un carré plat posé directement au-dessus d'un processeur. À l'intérieur de la fine chambre sous vide, le fluide s'évapore et se condense, propageant la chaleur d'une zone à une autre. Un dissipateur thermique, un ventilateur et/ou des caloducs peuvent être utilisés conjointement avec une chambre à vide pour optimiser le refroidissement.
Ces méthodes répondent à la plupart des besoins de refroidissement des ordinateurs, mais il se peut que vous ayez besoin de quelque chose d'encore mieux. À l'heure actuelle, trois autres méthodes de refroidissement extrême d'unité centrale sont utilisées.
Refroidissement extrême d'unité centrale n°1 : transport de chaleur liquide et pompes à chaleur
Le refroidissement par eau de l'unité centrale fonctionne de la même manière que le système de refroidissement d'un véhicule à combustion interne : un fluide de refroidissement (eau) circule d'une unité de traitement chaude vers une unité de refroidissement à rayonnement externe. À l'instar de la plupart des méthodologies, ce type de refroidissement par eau de l'unité centrale peut être combiné à d'autres méthodes (notamment des ventilateurs et des ailettes) pour optimiser son efficacité.
Le refroidissement par eau est utilisé dans les plates-formes de jeu haut de gamme et les PC personnalisés. Si vous souhaitez aller plus loin dans le transport de la chaleur par les fluides, vous pouvez mettre en place une unité d'échange de phase (c'est-à-dire une pompe à chaleur) dont la mécanique est similaire à celle d'un réfrigérateur. Ce système permet d'atténuer facilement la chaleur de presque tous les processeurs, mais il est tellement inhabituel pour le refroidissement d'une unité centrale qu'il s'agit plutôt d'un prototype coûteux et/ou d'une proposition de démonstration à l'heure où nous écrivons ces lignes.
Refroidissement extrême de l'unité centrale n°2 : refroidissement par immersion liquide
Une autre option consiste à immerger vos appareils électroniques dans un liquide de refroidissement, généralement de l'huile minérale. L'huile minérale peut absorber l'énergie thermique pour garder les composants au frais, bien que la façon dont elle dissipe la chaleur sur des charges d'unité centrale plus longues dépend de plusieurs facteurs. Il n'y a pas de ventilateurs à entretenir, mais l'huile minérale finit par s'évaporer et/ou s'encrasser. Une cuve de liquide prête à exploser sur le sol ou à s'écouler par les câbles peut également poser problème.
Si le refroidissement liquide direct peut sembler peu pratique pour les PC ou les serveurs domestiques, il s'agit en fait d'une idée très ancienne au regard des normes informatiques. Le supercalculateur CRAY-2, l'ordinateur le plus rapide au monde lors de sa sortie en 1985, a utilisé avec succès le refroidissement liquide direct, permettant à l'unité de traitement extrêmement puissante (pour l'époque) de s'insérer dans un diamètre relativement compact de 135 cm. Le liquide chauffé par le processeur était transporté vers une unité de refroidissement externe « en cascade », ce qui lui aurait valu le surnom de « bulles ».
Refroidissement extrême de l'unité centrale n°3 : emplacement à basse température
Une autre solution plus extrême consiste à déplacer votre processeur d'un environnement géographique chaud vers un autre plus froid. Au niveau du consommateur, cela a rarement du sens (sauf peut-être de garder votre serveur personnel dans un sous-sol froid), mais pour une grande entreprise, cela mérite d'être pris en considération. Meta (alors Facebook) a ouvert une ferme de serveurs proche de l'Arctique en 2013 à Luleå, en Suède, à 105 km du cercle polaire arctique. Il consommerait près de 40 % d'énergie en moins qu'un centre de données traditionnel. Même si les avantages semblent importants, dix ans plus tard, il ne semble pas y avoir de ruée de l'informatique vers les régions froides, peut-être en raison de problèmes d'infrastructure et de connectivité. Pour en savoir plus sur le refroidissement des serveurs au niveau du centre de données, consultez cet article.
Refroidissement du processeur : toujours nécessaire (mais cela arrive souvent naturellement)
En fin de compte, de nombreux processeurs fonctionnent sans problème sans dissipateur thermique. Des personnes auraient trouvé des solutions créatives, comme attacher un centime à un appareil informatique pour obtenir une masse thermique supplémentaire en cas de besoin. Dans le même temps, il existe de nombreux cas dans lesquels vous ne pouvez pas obtenir les performances nécessaires sans vous soucier également de l'extraction de la chaleur. Les processeurs overclockés viennent à l'esprit.
Quelle que soit votre application, n'oubliez pas les implications thermiques. Il existe de nombreuses façon de garder des choses au frais lorsque c'est nécessaire, et il peut être utile de revenir à la planche à dessin et d'examiner les différentes options.
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