Des ingénieurs de l'université de l'Illinois ont fabriqué une plaque de refroidissement en cuivre quasi pur, déposé couche par couche. Sur des transistors de puissance, ils ont mesuré une résistance thermique jusqu'à 32 % plus basse. D'après leur calcul, avec une telle plaque, un centre de données ne dépenserait plus que 1,1 % de son électricité au refroidissement.
Il fait tellement chaud ce week-end qu'on dirait que la France est branchée sur un data center d'IA. Dans un centre de données refroidi par air, près de la moitié de l'électricité part non pas dans le calcul, mais dans la dissipation et les annexes.
Behnood Bazmi est doctorant en génie mécanique à l'université de l'Illinois à Urbana-Champaign. Avec ses collègues, il a conçu et fabriqué une pièce qui pourrait bien lutter efficacement contre ce gaspillage. Cette pièce, une « cold plate », ressemble à une plaque métallique. On la pose directement sur la puce, puis on y fait passer un liquide caloporteur. Au contact de la puce, ce liquide se charge de chaleur, avant de repartir l'évacuer plus loin. En comparaison à des puces de référence, les chercheurs ont relevé une résistance thermique jusqu'à 32 % plus basse. Ils viennent de publier leurs résultats dans la revue Cell Reports Physical Science.
Mieux refroidir, mais avec une pompe plus gourmande
Les chercheurs ont comparé leur plaque à des ailettes carrées classiques. À débit de liquide égal, la puce chauffe moins sous leur plaque. La résistance thermique, c'est-à-dire la difficulté de la chaleur à s'évacuer, baisse alors de 32 %. La forme dentelée a pourtant un défaut. Le liquide se faufile mal entre les pointes serrées. C'est ce qu'on appelle la perte de charge. Et un liquide difficile à pousser oblige à une pompe plus puissante, qui consomme plus d'électricité.
Ils ont donc dû se méfier de leur propre mesure. À débit égal, la plaque qui refroidit le mieux semble la plus efficace, alors que sa pompe consomme davantage. Ils ont alors réglé toutes les plaques sur la même puissance de pompe, puis ils ont regardé laquelle refroidissait le plus. Du coup, leur plaque ne garde plus que 4 à 6 % d'avance sur les ailettes de 2 millimètres, et 13 à 14 % sur celles de 1,5 millimètre. Les 68 % souvent cités dans leurs résultats proviennent d'un autre calcul. Là, les chercheurs maintiennent la même température de puce, puis ils comparent l'électricité consommée par la pompe dans chaque cas. Un même dispositif donne ainsi des écarts très différents selon ce qu'on mesure.
Les chercheurs voient le vrai intérêt à l'échelle du bâtiment, car une chaleur évacuée plus chaude épuise moins la grosse installation de refroidissement posée dehors.
À l'échelle d'un pays, l'addition se chiffre en térawattheures. Aux États-Unis, les data centers consommaient 176 térawattheures en 2023, contre 60 dix ans plus tôt, et pourraient en avoir besoin jusqu'à 12 % du réseau national d'ici 2028. En France, la consommation électrique des centres de données a bondi de 38 % en trois ans, portée par des installations toujours plus grandes. Un rack dédié à l'IA pourrait atteindre 1 mégawatt d'ici 2030, contre 30 à 50 kilowatts pour un rack ordinaire. D'après les chercheurs, les puces d'un rack de 167 kilowatts resteraient à 85 °C avec seulement 1,1 % de l'électricité consacrée au refroidissement, là où l'air en engloutit plus de la moitié.
Un cuivre déposé à froid, dans un bain réutilisable
Pour dessiner les ailettes, les chercheurs ont laissé un algorithme travailler à leur place. Avec une méthode appelée optimisation topologique, ils partent d'une simple ailette carrée. À chaque essai, ils laissent le calcul retoucher la géométrie, puis ils en mesurent le rendement. Au bout d'une soixantaine d'essais, ils obtiennent une forme effilée, ramifiée à sa pointe, plus large là où le liquide doit circuler.
Il ne restait plus qu'à fabriquer ces pointes, certaines plus fines qu'un dixième de millimètre. Une telle finesse est impossible à obtenir avec un outil d'usinage classique. C'est la même chose avec une imprimante 3D métallique courante, car elle fait fondre une poudre, et le cuivre supporte mal cette chaleur du fait de sa conductivité et de son oxydation rapide. Les chercheurs ont donc choisi un autre procédé, l'ECAM, pour electrochemical additive manufacturing, mis au point par Fabric8Labs, une entreprise de San Diego.
Ici, pas de fusion. Les ingénieurs plongent le support en cuivre dans un bain d'eau chargé en ions de cuivre. Juste au-dessus, ils placent une tête d'impression couverte de millions de micro-électrodes, qui activent des zones précises. Sous l'effet du courant, les ions du cuivre viennent se déposer atome par atome sur le support, couche après couche. De cette façon, les chercheurs descendent à une finesse d'environ 33 micromètres et obtiennent un cuivre pur à 99,95 %, excellent conducteur de chaleur. Ce procédé présente deux avantages. D'abord, tout se passe à température ambiante, si bien que les ingénieurs peuvent travailler même sur des matériaux fragiles comme les semi-conducteurs, alors que la fusion les abîmerait. Ensuite, ils réutilisent le bain en le rechargeant avec des sels métalliques bon marché, du cuivre de récupération ou des pièces ratées.
Les chercheurs ont testé leur plaque sur du matériel réel, quatre transistors de puissance en nitrure de gallium posés sur une carte, dans une zone de 20 sur 20 millimètres. Une vraie puce de data center mesure pourtant des dizaines de centimètres carrés, bien plus que ces transistors. À cette taille, le liquide se répartit mal entre les nombreux canaux et laisse apparaître des points chauds là où le débit faiblit. Ce prototype est donc encore loin d'être installé dans un data center.
À noter cependant, et comme le précisent les auteurs, six d'entre eux travaillent chez Fabric8Labs et possèdent des parts de l'entreprise, qui vend justement le procédé ECAM.
