Tour d’horizon des technologies de refroidissement des centres de données 

La demande de services numériques augmente rapidement. Selon l'AIE ⁽¹⁾, depuis 2010, le nombre d'internautes dans le monde a plus que doublé pour atteindre 4,9 milliards en 2021, tandis que le trafic Internet a été multiplié par 20 sur la même période. La demande croissante de contenu en streaming, l'évolution des technologies numériques, l'émergence de l'infrastructure informatique blockchain et l'accélération de la croissance de l'Internet des objets (IoT) grâce à l'expansion de la technologie machine-to-machine (M2M) expliquent cette très forte augmentation du trafic. 

 

Cependant, depuis 2010, malgré cette forte croissance de la demande, la consommation d'énergie des centres de données (à l'exclusion de l'énergie utilisée pour le minage de crypto-monnaies) n'a augmenté que modérément, en partie grâce à l'amélioration de l'efficacité des équipements informatiques, de leurs technologies de refroidissement et à l'abandon des centres de données d'entreprise petits et inefficaces au profit de centres de données plus efficaces, en nuage (cloud) et à très grande échelle (« hyperscale ») ⁽¹⁾. 

 

En termes d'émissions de GES, les centres de données et les réseaux de transmission de données qui sous-tendent la numérisation représentaient environ 300 MtCO₂-eq en 2020, soit 0,9 % des émissions de GES liées à l'énergie (ou 0,6 % des émissions totales de GES). Depuis 2010, comme la consommation d'énergie, les émissions n'ont augmenté que modérément malgré la demande en forte croissance pour les services numériques. Cependant, pour être en accord avec le scénario Net Zero, les émissions doivent être réduites de moitié d'ici 2030 ⁽¹⁾. Puisque, selon l'IIF ⁽²⁾, entre 30 % et 55 % de la consommation électrique des centres de données est utilisée pour le refroidissement des équipements informatiques, la poursuite de l’amélioration de l'efficacité énergétique des systèmes de refroidissement est un enjeu clé.

 

. Dans un article de synthèse ⁽³⁾ présenté lors de la Conférence Internationale Froid et Conditionnement d’air 2002 à Purdue, co-patronnée par l'IIF, des chercheurs américains donnent un aperçu et des perspectives des technologies de refroidissement dans les centres de données. En règle générale, les stratégies de refroidissement dans ces installations peuvent être divisées en deux catégories : les systèmes refroidis par air et les systèmes refroidis par liquide, qui peuvent tous deux être mis en œuvre à différents niveaux (du niveau de la puce au niveau de la pièce). 

 

La distribution d'air par le haut/sous plancher, la disposition des allées chaudes/froides et le confinement de ces allées chaudes/froides sont les principales stratégies utilisées pour optimiser les performances des systèmes refroidis par air. L'architecture avec plancher surélevé a été largement adoptée dans les centres de données, mais présente des fuites d'air importantes (environ 25 à 50 %). Il s’est avéré que le système de ventilation optimal est une conception de sol dur avec une alimentation en air froid par le haut et une conduite de retour d'air chaud au lieu d'une alimentation et d'un retour au niveau de la pièce. Le confinement de l'allée froide permet de mieux réduire la température d'entrée maximale des racks et d’éviter l'augmentation de la température en cas de défaillance du système de refroidissement, tandis que le confinement de l'allée chaude permet d’obtenir une température d'entrée moyenne inférieure des racks avec un écart type plus faible et est de plus moins affecté par l'étanchéité à l'air autour du les serveurs. Comme la densité de puissance des racks dépasse 10 kW/rack et que le flux thermique est supérieur à 100 kW/cm², les systèmes conventionnels refroidis par air ne constituent pas une solution viable pour la gestion thermique.  

 

Les méthodes de refroidissement liquide telles que le refroidissement par pulvérisation, le jet par impact, le refroidissement par immersion, les micro-canaux refroidis par liquide et les caloducs font partie des technologies émergentes permettant de surmonter les limitations de capacité des systèmes refroidis par air. Concernant le refroidissement par immersion, la transition vers une ébullition à écoulement diphasique sous-refroidi, l'amélioration du transfert de chaleur en ajoutant des microstructures ou des irrégularités pour créer plus de sites de nucléation et une surface de transfert de chaleur plus élevée, ainsi que l'utilisation de nanofluides sont des stratégies d'amélioration qui suscitent l'intérêt des chercheurs. L'immersion d'un module d'électronique de puissance dans un fluide peut entraîner une résistance thermique de 25 % de celle d'un système refroidi par air, ou de 30 à 50 % de celle d'un système refroidi par liquide comme les microcanaux ou le refroidissement par pulvérisation. En fonction du système de refroidissement existant, de la charge thermique globale et des points chauds, le système de caloducs peut être utilisé pour le centre de données en tant qu'unité autonome ou en conjonction avec un système refroidi par air, un système dit hybride. Comparé aux systèmes refroidis par air classiques, le système hybride peut réduire le facteur de charge de refroidissement annuel et la consommation d'énergie de 37 à 58 % et de 20 à 70 %, respectivement. 

 

 

Sources

(1) IEA, Data Centres and Data Transmission Networks, Tracking report - September 2022, https://www.iea.org/reports/data-centres-and-data-transmission-networks  

(2) IIR, The Role of Refrigeration in the Global Economy (2019), 38th Note on Refrigeration Technologies, https://iifiir.org/en/fridoc/the-role-of-refrigeration-in-the-global-economy-2019-142028  

(3) Isazadeh A. et al, Cooling Technologies in Datacom Facilities: An Overview and Perspectives, https://docs.lib.purdue.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=3491&context=iracc