PartagerCentres de données : les enjeux d’un refroidissement éco-énergétique des puces électroniques
Des solutions de refroidissement liquide innovantes sont en cours de développement pour poursuivre la réduction de la consommation d’énergie des centres de données, dont le nombre est en très forte croissance.
Selon l’AIE, la consommation électrique mondiale des centres de données en 2022 était estimée entre 240 et 340 TWh, soit environ 1 à 1,3 % de la demande finale mondiale en électricité (1).
Depuis 2010, le nombre d’internautes dans le monde a plus que doublé, tandis que le trafic Internet mondial a été multiplié par 20 (1). La forte croissance de la demande de services de réseaux de données devrait se poursuivre, due principalement aux activités à forte consommation de données telles que le streaming vidéo, les jeux à la demande et les applications de réalité augmentée et virtuelle (1).
De plus, le fort développement de la gestion des actifs numériques au sein de l’écosystème blockchain, comme le minage de cryptomonnaies, nécessite des puissances de calcul considérables (2).
Par ailleurs, le développement potentiellement exponentiel des usages de l’intelligence artificielle pourrait encore très fortement accroître cette demande de services à forte consommation de données. Les modèles d'IA générative comme ChatGPT mettent l'intelligence artificielle à la portée du grand public. Toute personne disposant d'une connexion Internet a désormais accès à des outils sophistiqués d'apprentissage profond pour effectuer des tâches complexes en quelques secondes (3). Ainsi, la consommation électrique liée à l’IA pourrait représenter 15 à 20 % de la consommation totale des centres de données en 2028 (4).
Cependant, depuis 2010, malgré cette forte croissance de la demande de services numériques, la consommation énergétique des centres de données (à l’exclusion de l’énergie utilisée pour le minage de cryptomonnaies) n’a augmenté que modérément, en partie grâce à l’amélioration de l’efficacité des équipements informatiques et de leurs technologies de refroidissement (1).
La croissance exponentielle des centres de données dans un monde toujours plus numérique a conduit à des investissements considérables dans la recherche, notamment dans le refroidissement des puces. Le refroidissement des puces électroniques, composants énergivores majeurs des centres de données et toujours plus puissants, peut à lui seul représenter 40 % de la consommation énergétique totale d’un centre de données (5).
Le refroidissement liquide (généralement par l'eau), plus efficace que le refroidissement par air, est devenu l'option prioritaire, mais n’est encore utilisé que dans 5% des centres de données existants. Cependant, la demande en eau comme fluide de refroidissement devient un problème généralisé et les organisations donnent désormais la priorité à la préservation de l’eau dans le cadre de leurs démarches en faveur du développement durable.
Aux États-Unis, pour relever ces défis et envisager des approches novatrices en matière de refroidissement des puces, le Département de l'Energie a lancé le programme COOLERCHIPS. L'Université de Purdue, bénéficiaire d'une partie des fonds de ce programme de 40 millions de dollars, est à l'avant-garde du développement de solutions innovantes pour le refroidissement des puces (4).
L’un des principaux domaines de recherche de l’Université de Purdue concerne le refroidissement par jet incident diphasique. Ce système utilise des microcanaux remplis de liquide et intégrés directement dans le conditionnement de la micropuce. À mesure que la puce génère de la chaleur, le liquide entre en ébullition et les vapeurs qui en résultent évacuent la chaleur de la puce. La vapeur se condense ensuite et est recirculée dans la puce, permettant un refroidissement passif sans avoir recours à une pompe.
Une autre option en cours d'étude consiste à établir un contact direct entre le liquide et la surface de la puce, éliminant ainsi le recours à des matériaux d'interface thermique. Une couche de silicone à l'arrière améliore encore l'efficacité du refroidissement. En utilisant la gravité du liquide, cette solution vise à minimiser la consommation d'énergie en plaçant le condenseur à une position plus élevée et en permettant à la gravité de diriger l’écoulement vers les puces. Cette approche optimise le refroidissement des puces tout en réduisant la consommation d'énergie.
Sources :
https://www.iea.org/energy-system/buildings/data-centres-and-data-transmission-networks
https://energypost.eu/will-ai-queries-increase-data-centre-energy-use-by-an-order-of-magnitude/
https://download.schneider-electric.com/files?p_Doc_Ref=SPD_WP110_EN
https://www.datacenterknowledge.com/power-and-cooling/chip-cooling-answer-data-center-sustainability