Méthodes de refroidissement pour ordinateur

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Ventilateur de refroidissement par air d'un PC.
PC avec ventilateur latéral.

Les méthodes de refroidissement pour ordinateur sont les moyens permettant de réduire la température de certains composants d'ordinateur afin d'éviter leur surchauffe. La majorité des composants d'un ordinateur chauffent, allant d'une très faible production de chaleur pour les lecteurs optiques, à une production beaucoup plus importantes pour le microprocesseur voire la carte graphique qui consomme parfois plus que le processeur[1]. Un échauffement normal est sans conséquence, mais une surchauffe de ces composants peut entraîner des dysfonctionnements (erreurs de calculs, bugs, redémarrages intempestifs, etc.), pouvant parfois aller jusqu’à leur détérioration.

Depuis le Pentium, la majorité des composants exposés à de fortes températures sont dotés de sondes, et de sécurités qui les protègent (par ralentissement forcé nommé throttling voire par un arrêt "brutal" du PC).

Les circuits intégrés sont les composants électroniques qui chauffent le plus, ils sont situés sur la carte mère et sur la carte graphique entre autres. Avant 1995, le simple contact de la surface du circuit intégré avec l'air ambiant permettait d'assurer son refroidissement, puis certains de ces circuits devinrent trop consommateurs pour que le contact avec l'air ambiant suffise. Les processeurs, par exemple, sont composés de millions de transistors qui, lors de leur fonctionnement, dégagent beaucoup de chaleur ; il est alors nécessaire de leur adjoindre un dispositif de refroidissement afin de réduire leur température.

Principaux éléments producteurs de chaleur[modifier | modifier le code]

Les principaux éléments d'un ordinateur qui produisent de la chaleur sont les suivants :

Méthodes de refroidissement[modifier | modifier le code]

Refroidissement à air[modifier | modifier le code]

Le refroidissement à air, (en anglais aircooling), est le principe de refroidissement qui utilise l'air comme fluide de refroidissement. Il est simple à mettre en œuvre, suffisamment efficace dans la majorité des cas, économique, et n'est pas dangereux.
Il peut être classé suivant deux catégories :

Refroidissement passif 
Le terme passif indique ici qu'aucune pièce mécanique n'est en mouvement. Un simple dissipateur (un radiateur) est fixé sur le composant à refroidir, afin d'augmenter la surface de contact avec l'air ambiant, et donc de faciliter la dissipation thermique par convection. Il fut le premier système utilisé, sur les transistors de puissance, puis sur les microprocesseurs (par exemple le Pentium), quand ils commencèrent à chauffer de manière trop importante. C'était aussi la solution choisie par Steve Jobs sur son Apple III. Son utilisation a évolué au fil du temps, pour maintenant refroidir les northbridge, certains processeurs graphiques entrée de gamme, la mémoire vive, ou encore les MOSFET sur la carte mère.
Refroidissement actif 
Par rapport au refroidissement passif, un ventilateur est ajouté au radiateur (formant ainsi un bloc souvent appelé ventirad ou heatsink), afin de créer un flux d'air autour du radiateur pour accélérer le transfert thermique entre air et ailettes du radiateur.
Ce système est devenu un standard pour le refroidissement du microprocesseur : la grande majorité des plus puissants sont livrés avec un ventirad, ou au moins sont destinés à fonctionner avec celui-ci.
Les processeurs graphiques milieu et haut de gamme en sont également munis, ainsi que la majorité des blocs d'alimentation[2].
Les principaux défauts d'un refroidissement actif sont le bruit émis par le souffle du ventilateur, ainsi que l'accumulation de poussière dans l'ordinateur s'il n'y a pas de filtre à air, surtout pour les portables (petite taille peu propice au nettoyage et déplacements fréquents en milieu urbain poussiéreux).
Les radiateurs sont parfois dotés de caloducs, qui permettent d'emmener la chaleur émise par le composant loin de celui-ci, jusqu’à l'endroit où elle va être dissipée dans l'air[3].

Refroidissement liquide[modifier | modifier le code]

Il existe deux types de refroidissement utilisant un liquide caloporteur :

Refroidissement à eau 
(en anglais watercooling) est un dispositif faisant circuler de l'eau, bien meilleure conductrice thermique que l'air, à l'aide d'une pompe dans un circuit qui passe dans un ou plusieurs waterblocks. Ces waterblocks, situés sur les composants à refroidir, permettent un transfert thermique entre l'eau et le composant.
À l'origine réservée aux systèmes très performants, comme les supercalculateurs, cette méthode a ensuite été reprise et adaptée pour son utilisation au quotidien dans les ordinateurs, étant bien souvent plus performante que le refroidissement à air. Elle reste malgré tout encore un peu plus complexe que l'aircooling à mettre en place, et un peu plus dangereuse à cause de la cohabitation entre l'eau et l'électricité.
Le silence de fonctionnement est un autre atout du refroidissement à l'eau, dans le cas d'un système sans ventilateur, même si les performances sont un peu moindres dans ce cas.
Refroidissement à huile 
refroidissement par huile minérale
Rarement utilisé[réf. nécessaire], le refroidissement à huile consiste à immerger tous les composants dans de l'huile végétale ou minérale, afin de les refroidir uniformement. Cette méthode a pour avantage d'avoir un ordinateur totalement silencieux et totalement immergé dans un liquide, et donc d'avoir un refroidissement uniforme. Pour pouvoir immerger des composants dans un liquide, il faut que celui-ci soit diélectrique. Utiliser l'huile végétale présente de nombreux inconvénients : elle rancit avec le temps, n'est pas transparente et dégage une odeur de friture, mais les huiles minérales sont potentiellement cancérigènes si elles sont portées à des température élevées[4]. Le refroidissement à l'huile permet d'éviter tout ventilateur et donc de réduire la consommation électrique de l'ordinateur[réf. nécessaire]. En Europe, ce type de refroidissement n'est pas commercialisé au grand public. Cependant, de nombreux particuliers ont déjà tenté l'expérience d'immersion dans l'huile[5][réf. insuffisante].

Refroidissement à changement de phase[modifier | modifier le code]

Phase-change cooling[modifier | modifier le code]

Basé sur le principe de la pompe à chaleur, le phase-change cooling permet le changement de phase d'un fluide frigorigène. Les températures atteintes sont alors de l'ordre de au niveau de l'évaporateur (situé sur le composant), et donc une température négative est atteinte pour le composant.

Waterchiller[modifier | modifier le code]

Un waterchiller est un système combinant le watercooling avec le « phase-change cooling » afin de profiter des avantages des deux méthodes. Le liquide circulant dans le circuit du watercooling est refroidi grâce à un système de « phase-change cooling », ainsi on obtient un très bon refroidissement (avantage du phase-change) pour plusieurs composants à la fois (avantage du watercooling).

Effet Peltier[modifier | modifier le code]

Les plaques à effet Peltier permettent, grâce à une des deux plaques, de refroidir à des températures négatives les composants où elles sont fixées. Elles ne peuvent cependant être utilisées seules : la deuxième chauffant beaucoup, il est nécessaire d'y adjoindre un autre système de refroidissement assez performant, tel qu'un watercooling ou un système de phase-change cooling.

Refroidissement extrême[modifier | modifier le code]

Refroidissement à l'azote liquide[modifier | modifier le code]

Le refroidissement à azote liquide permet un refroidissement extrême grâce à l'utilisation à une température de −196 °C. Ses défauts proviennent de :

  • l'évaporation de l'azote liquide (LN2) : il est nécessaire d'alimenter régulièrement le système en LN2, ce qui le rend inapproprié à un usage régulier ;
  • la condensation de l'humidité de l'air sur la tour qui peut provoquer des courts-circuits si l'eau atteint l'électronique de la carte mère.

Ce dispositif avait été utilisé à titre expérimental dans les laboratoires IBM en 1984[6] pour faire fonctionner un PC/AT à 19 MHz au lieu de 6. Il fallait remplacer la ROM du BIOS par une RAM susceptible de suivre cette cadence.

Refroidissement à la glace sèche[modifier | modifier le code]

Très semblable au refroidissement à azote liquide, il utilise de la glace carbonique à −78 °C. Cette glace se sublime en Co2 dans l'air, ce qui rend ce système compliqué à utiliser de façon prolongée, du fait du renouvellement fréquent de la neige carbonique et de la difficulté de son stockage.

Cascades[modifier | modifier le code]

Les cascades sont plusieurs systèmes à changement de phase montés en série, qui permettent à chaque étage d'utiliser un autre fluide frigorigène ayant une température de vaporisation plus faible à chaque fois. Avec quatre étages on peut par exemple utiliser de l'azote liquide pour le dernier étage, et donc obtenir un refroidissement aussi performant qu'avec l'azote liquide, mais sans son défaut : l'évaporation dans l'air ambiant. Un tel système peut fonctionner pendant une très longue durée sans remplissage, aucun fluide ne sortant de son circuit.

Optimisations[modifier | modifier le code]

Flux d'air[modifier | modifier le code]

La génération d'un flux d'air à l'intérieur de la tour est important, dans la mesure où il permet le refroidissement des composants ne disposant pas de système de refroidissement, et une meilleure efficacité de la part des radiateurs et des ventirad. Ce flux d'air est créé grâce à des ventilateurs de boîtier, de diamètres et de vitesses de rotation différents. On en distingue deux utilisations :

  • en extraction (blowhole), souvent à l'arrière et sur le haut de la tour ;
  • en aspiration (suckhole), souvent à l'avant et sur le côté de la tour (voire depuis le bas également).

Les nappes IDE par exemple risquent de constituer des obstacles à la circulation de l'air, c'est pourquoi il est conseillé d'utiliser des gaines rondes, afin de diminuer la largeur de ces nappes, ou de relier les périphériques à l'aide de câbles ronds. Ces derniers présentent de nombreux avantages comparés aux nappes :

  • leur forme tubulaire garantit une meilleure circulation de l'air.
  • esthétique, les fans de tuning PC en sont très friands.
  • plus flexibles, faciles à manipuler et à connecter, les nappes sont souvent trop rigides et il faut se contorsionner ou les plier pour les brancher à la carte mère.

Pâte thermique[modifier | modifier le code]

L'utilisation de pâte thermique entre les composants et leur système de refroidissement est indispensable, afin d'éliminer l'air présent entre les deux surfaces, la conductivité thermique de l'air étant mauvaise comparée à celle de la pâte thermique.

Poussière[modifier | modifier le code]

De la poussière s'accumule généralement au fil du temps sur les radiateurs, à cause de leur forme. Elle constitue alors un obstacle à la dissipation de la chaleur dans l'air. Il est donc important de nettoyer le radiateur afin de conserver des performances optimales. Un soufflet mécanique ou une bombe à air comprimé sont par exemple utilisables.

Surfréquençage[modifier | modifier le code]

Le surfréquençage, plus souvent appelé overclocking ou surcadencement, consiste à dépasser la fréquence de fonctionnement d'un composant, prescrite par le constructeur, afin d'améliorer ses performances. Plus cette fréquence est élevée, plus le composant va chauffer[7], et le système peut donc devenir instable. Le potentiel d'overclocking va donc beaucoup dépendre du refroidissement du composant. C'est pourquoi lors de tentatives de surcadencement très important, afin d'établir de nouveaux records par exemple, une place importante est accordée au refroidissement, et l'extreme cooling est alors privilégié. Il existe des concours d'overcloking organisés chaque année. Pendant le CES 2014, GIGABYTE® et ses sponsors décrochent 3 records mondiaux en utilisant de l'azote liquide[8].

Centres informatiques[modifier | modifier le code]

Principe du refroidissement par allée dans un Datacenter

Dans les datacenters le refroidissement des machines (serveurs, systèmes de stockage, équipements réseau, etc.) est essentiel pour le bon fonctionnement des systèmes. Pour cela, l'une des méthodes employées consiste à suivre le principe de l'alternance entre « allée froide » (où arrive l'air frais) et « allée chaude » après passage par les racks où l'air est aspiré par des ventilateurs[9].

L'air chaud dégagé par les data centers est souvent utilisable pour en chauffer les bâtiments en hiver. C'était déjà le cas dès 1970 avec l'unique 360/91 du Max-PLanck Institüt de Garching (Allemagne).

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. En particulier chez les gamers
  2. Une solution intéressante sur les Mini PC consiste à placer l'alimentation hors du boîtier.
  3. Un portable convertible en tablette, l'Acer Switch 12, utilise même un caloduc sans ventilateur.
  4. Huiles minérales, sur le site atousante.com, consulté le 7 mars 2016.
  5. Un PC avec un refroidissement à l'huile minérale, sur elogweb.fr du 5 juin 2015, consulté le 21 décembre 2016.
  6. Revue électronique BitBucket sur les News d'IBM, 1984
  7. Pour cette raison on essaye de baisser la tension d'alimentation pour éviter la surchauffe.
  8. GIGABYTE et ses sponsors : Intel®, G.SKILL ainsi qu'Enermax, obtiennent 3 records du monde sous LN2, sur le site gigabyte.fr du 6 janvier 2014, consulté le 7 mars 2016.
  9. (en) Data Center Curtains for Hot Aisle/Cold Aisle Containment, sur le site 42u.com, consulté le 7 mars 2016.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]