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Comment garder les composants au frais ?

Jean-Charles Guézel

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- Fini les simples dissipateurs ventilés ! Demain, les radiateurs devront obligatoirement être associés à des dispositifs capables d'accélérer les transferts de chaleur depuis le coeur même des composants.

Question chaleur, le microprocesseur s'apparente au camembert artisanal : au-delà d'une certaine température, c'est le désastre assuré ! Or, il est bien difficile aujourd'hui de garder ces composants au frais. D'abord parce ce qu'on y met de plus en plus de transistors ; ensuite parce que la consommation de chaque transistor croît inexorablement avec les fréquences d'horloge (jusqu'à 3 GHz aujourd'hui, sans doute 10 ou 20 GHz en 2010). Les densités de puissance sont en fait arrivées à un niveau tel (50 et même 75 watts/cm2 !) que les systèmes de refroidissement classiques, basés sur de simples ailettes métalliques, ne suffisent plus.

Dans un premier temps, ce sont des passionnés d'informatique, adeptes de l'overclocking (ou surcadencement), qui ont été confrontés concrètement à ce problème. Loin d'être tenus pour quantité négligeable, ces "bricoleurs" se voient aujourd'hui proposer des solutions "dédiées", souvent en provenance de Taïwan (cas, entre autres, de Thermal Transtech, évoquée ci-dessous).

Ventilateur... sans pales

Mais cette tendance à l'optimisation thermique trouve aussi un puissant écho dans de nombreux laboratoires de recherche, tant universitaires qu'industriels.

À quoi ressemblera le dissipateur d'un microprocesseur de PC dans dix ans ? Difficile de le dire tant les solutions envisagées sont diverses. Chez Hewlett Packard (HP), par exemple, on semble accorder pas mal de crédit au refroidissement par pulvérisation de gouttelettes de fluide caloporteur directement sur la puce. Après s'être vaporisé, le fluide (de l'eau éventuellement) traverse un échangeur de chaleur, s'y condense, et vient à nouveau remplir le réservoir à partir duquel est opérée la pulvérisation.

Le constructeur informatique a même imaginé un mécanisme analogue à celui d'une imprimante à jets d'encre, mécanisme grâce auquel il serait possible de refroidir les différentes zones d'une puce en fonction de sa cartographie thermique. L'efficacité atteindrait les 200 watts/cm2 selon HP, et même 420 watts/cm2 si l'on en croit les chercheurs du département mécanique de l'université de Géorgie (États-Unis), inventeurs du procédé Vida (notre photo 4).

Cela dit, le refroidissement par air est loin d'avoir dit son dernier mot. Pour preuve le SynJet, un drôle de ventilateur (sans pales), lui aussi mis au point à l'université de Géorgie. Équipé d'actionneurs électromagnétiques ou piézo-électriques chargés de mettre des diaphragmes en vibration à 100 ou 200 Hz, ce système se caractérise par l'extrême directivité des flux générés et par leur aptitude à "casser" les couches d'air chaud. Résultat : une évacuation de la chaleur deux à trois fois plus efficace que celle d'un ventilateur traditionnel, avec une consommation électrique réduite d'un tiers...

Avant de disperser la chaleur dans l'air ambiant, encore faut-il correctement l'extraire de la puce. C'est tout l'intérêt des dispositifs de transfert de chaleur de types caloducs ou "blocs à eau", qui viennent littéralement pomper la chaleur produite au coeur des composants. En la matière, la difficulté ne réside d'ailleurs pas tant dans la puissance à évacuer que dans la petitesse des sources à refroidir. Pour s'en sortir, une seule parade : augmenter artificiellement la zone d'échange entre la puce et le fluide caloporteur.

Bientôt 5 000 watts/cm2

Réseaux capillaires à rainures, poudres métalliques frittées, usinage direct du composant... : de nombreuses options sont possibles en fonction du niveau de performances souhaité. Chez Cooligy (une émanation de la Stanford University), la technologie Active Micro Channel Cooling utilise pour capteur une plaque de silicium dans laquelle sont gravées des centaines de canaux de quelques dizaines de micromètres de largeur. Au final, une telle plaque est capable d'extraire jusqu'à 1 000 watts/cm2 au niveau du composant !

Impressionnant, certes, mais loin des 5 000 watts/cm2 évoqués par la Stanford University - toujours elle ! - au sujet du thermotunneling (à rapprocher de l'effet thermoïonique). Étudiée par la start-up Cool Chips, notamment, cette technique opère par transfert de l'énergie thermique au moyen d'électrons véhiculés entre deux plaques polarisées et séparées par du vide. Plus simple à résumer qu'à réaliser puisque les deux plaques en question ne doivent pas être distantes de plus de 10 nanomètres tout en mesurant plusieurs centimères carrés. En dépit des difficultés, cette méthode de refroidissement serait tout de même l'une des plus prometteuses pour les années à venir...

LES QUATRE PISTES LES PLUS SÉRIEUSES

1. LES MICROCANAUX Bloc MC1 d'Atotech - À l'intérieur de ces plaques (47 x 47 x 8 mm) a priori banales se cache un empilement de huit feuilles métalliques enserrant une myriade de microcanaux (500 microns de largeur sur 200 microns de profondeur). Grâce au mélange d'eau et de glycol qui y circule sous pression, ce système peut extraire jusqu'à 70 watts avec un débit de 300 litres/heure. Selon Atotech, de tels modules pourraient à l'avenir extraire jusqu'à 250 watts.

2. LES CALODUCS Dissipateur NPH-2U de Thermal Transtech - Associant caloduc (25,4 mm de diamètre sur 65 mm de hauteur), ailettes métalliques et ventilateur (3 600 tours/min), ce dissipateur imposant (560 grammes) présente une résistance thermique de 0,288 °C/watt. Il a été conçu pour évacuer un maximum de 90 watts. Le caloduc est un dispositif d'extraction de chaleur passif mettant en jeu la vaporisation d'un fluide dans sa zone la plus chaude et sa condensation dans sa zone la plus froide.

3. L'EFFET PELTIER Système AC4G d'Activecool (distribué par Global Win) - Dit "actif", du fait de la présence d'un module à effet Peltier, ce système a été développé pour les microprocesseurs AMD K7 et Intel P4 cadencés jusqu'à 3,2 GHz. Le module thermoélectrique comprend une face refroidie, placée en contact avec la puce, et une face chaude, dotée d'un radiateur ventilé. Une carte PCI reliée à l'ordinateur hôte se charge de l'alimentation électrique et ajuste la puissance de refroidissement en fonction des conditions ambiantes.

4. LA PULVÉRISATION DE LIQUIDE Technologie Vida d'Innovative Fluidics - Particulièrement efficace (420 watts/cm2 actuellement et peut-être 1 000 watts/cm2 demain), le procédé Vida (Vibration Induced Droplet Atomization), mis au point à l'université de Géorgie (États-Unis), consiste à projeter des gouttelettes de fluide caloporteur directement sur le microprocesseur. Entretenu par des actionneurs piézo-électriques, le phénomène d'aspersion est contenu dans une cellule étanche (50 mm de diamètre sur 20 mm de hauteur) que l'on vient normalement fixer sur le composant à refroidir.

75 watts/cm2

C'est la dissipation atteinte par les microprocesseurs haut de gamme aujourd'hui. Le chiffre devrait encore doubler dans les trois ans.

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