Pour optimiser le refroidissement de processeurs de plus en plus puissants et de plus en plus énergivores, des ingénieurs de Lausanne sont parvenus à graver de minuscules canaux remplis d'eau à l'intérieur même des puces. Ce « water cooling » révolutionnaire pourrait considérablement réduire les besoins actuels en eau pour refroidir les immenses data centers.

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Parce qu'il devient de plus en plus difficile de refroidir des processeurs toujours plus rapides et puissants, les chercheurs travaillent sur de nouvelles solutions de refroidissement. Il y a eu le ventilateur, la pâte thermique, le radiateurradiateur et même le refroidissement liquideliquide appelé « water cooling ». Comme dans un moteur de voiturevoiture, le refroidissement par eau est externe, et s'il est plus efficace que l'airair, il est plus complexe, plus volumineux et plus coûteux à mettre en place dans un ordinateurordinateur.

Le principe reste le même qu'avec de l'air, il faut extraire la chaleurchaleur de la puce et c'est le « water block » qui est au cœur du système avec de minuscules tuyaux dans lesquels un liquide peut circuler. C'est lui qui assure l'échange thermique entre le processeur à refroidir et le liquide caloporteurcaloporteur. L'idée des chercheurs suisses du POWERlab et de l'École polytechnique fédérale de Lausanne, c'est de fusionner carrément ce système à l'intérieur même du processeur.

En animation, la circulation de l'eau à l'intérieur même de la puce. © POWERLab

Des canaux gravés dans le silicium

C'est une vraie prouesse puisque le liquide doit évidemment être isolé du métalmétal pour éviter toute réaction chimiqueréaction chimique. Les premières tentatives montraient des canaux microscopiques circulant à l'intérieur même du composant, avec un système de pompe pour évacuer la chaleur. Le problème, c'est que l'extraction de la chaleur exige beaucoup d'énergieénergie, et elle réduit son efficacité. Pour compenser cette perte, les ingénieurs utilisent une couche en nitrure de gallium. Comme on est capable de graver très finement du siliciumsilicium, les ingénieurs ont placé des canaux de liquide de refroidissement juste sous la surface des circuits en nitrurenitrure de galliumgallium (GaN).

Bien évidemment, c'est de l'électronique de précision. De minuscules fentes entaillent la surface en nitrure de gallium, et ensuite, un processus de gravuregravure permet d'élargir les canaux dans le silicium pendant que la couche de GaN est scellée avec du cuivrecuivre pour améliorer la conduction thermique dans l'eau. Sous ces canaux, se trouve un ensemble de passages alternés qui agissent comme des alimentations et des puits. L'eau froide entre via une alimentation, circule dans le canal où elle capte la chaleur, puis est aspirée par un bac voisin.

L'eau froide passe à travers un collecteur qui alimente l'eau dans des microcanaux en silicium. © <em>Nature</em> 
L'eau froide passe à travers un collecteur qui alimente l'eau dans des microcanaux en silicium. © Nature 

Une innovation prometteuse

Les ingénieurs font en sorte que les parties les plus chaudes de la couche en nitrure de gallium soient placées à proximité de l'un des canaux, permettant une extraction plus efficace de la chaleur. Ils ont multiplié les tests et les dispositions, et ils sont finalement parvenus à gérer des flux de chaleur jusqu'à 1.700 wattswatts par centimètre carré tout en limitant l'élévation de température de la puce à 60 °C.

Quand on pense à l'eau nécessaire pour refroidir les immenses data center et autres superordinateurssuperordinateurs, ces travaux sont très prometteurs. Le magazine Nature rapporte ainsi que l'eau utilisée pour refroidir les data center aux États-Unis est équivalente aux besoins quotidiens des habitants de Philadelphie (1,6 million d'habitants). Sauf que ce n'est pour demain...

Pour l'instant, le système fonctionne car les chercheurs avaient identifié les points les plus chauds du processeur. Toutefois, il faudrait désormais l'appliquer sur l'ensemble du composant, mais également envisager des systèmes similaires pour les cartes graphiquescartes graphiques ou encore les alimentations.