- Un guide pratique pour les ingénieurs et les acheteurs techniques
- Pourquoi les centres de données se tournent-ils vers le refroidissement liquide ?
- Comment fonctionne le refroidissement liquide des centres de données ?
- Le refroidissement liquide remplace-t-il le refroidissement par air ?
- Qu'est-ce qui change lorsqu’un liquide entre dans le système ?
Un guide pratique pour les ingénieurs et les acheteurs techniques
Le refroidissement liquide des centres de données est une approche de gestion thermique qui utilise un liquide pour extraire la chaleur des serveurs, des baies (racks) ou des équipements informatiques haute puissance. Au lieu de s’appuyer uniquement sur l’air circulant dans une salle des serveurs, le refroidissement liquide amène un fluide caloporteur de capacité supérieure au plus près de la source de chaleur, qu’il s’agisse d’un CPU, d’un GPU, d’un accélérateur, du flux d’évacuation d’une baie ou d’un serveur entièrement immergé.
La conception exacte dépend de l’architecture de refroidissement. Cette distinction est importante car le « refroidissement liquide » n’est pas une technologie unique. C’est une catégorie large qui englobe le refroidissement direct sur puce, le refroidissement direct sur puce à deux phases, les échangeurs de porte arrière, le refroidissement par immersion monophasé et le refroidissement par immersion biphasé. Chaque architecture place le liquide dans une partie différente du système, utilise des fluides distincts et impose des exigences différentes pour les tubes, les raccords, les joints, les garnitures et d’autres composants de transfert de fluides.
Pour les ingénieurs et les acheteurs techniques, la question pratique n’est pas seulement « ce centre de données doit‑il utiliser un refroidissement liquide ? ». Elle est aussi : où va le liquide, que touche‑t‑il et qu’est‑ce qui doit le contenir pendant des années de service ?
Pourquoi les centres de données se tournent-ils vers le refroidissement liquide ?
Les centres de données se tournent vers le refroidissement liquide car la densité de puissance par baie augmente. L’IA, le calcul haute performance et les charges de travail à forte intensité GPU concentrent davantage de chaleur dans des espaces plus restreints. Le refroidissement par air peut toujours convenir à de nombreux environnements, mais à mesure que la densité de puissance augmente, les systèmes à air exigent souvent davantage de débit d’air, plus de puissance des ventilateurs, un confinement plus rigoureux et une capacité de refroidissement accrue au niveau des installations.
Le refroidissement liquide offre une autre option aux exploitants. Les liquides peuvent transporter plus de chaleur que l’air dans un volume plus réduit, ce qui permet de capter la chaleur plus près de la source ou de l’évacuer plus efficacement au niveau de la baie. Cela ne signifie pas que tous les centres de données ont besoin de refroidissement liquide. Cela signifie que le refroidissement liquide devient plus attractif lorsque la charge thermique dépasse ce que le refroidissement par air peut gérer efficacement, économiquement ou dans l’espace physique disponible.
Le refroidissement liquide remplace-t-il le refroidissement par air ?
Le refroidissement liquide ne remplace pas toujours le refroidissement par air. De nombreux centres de données refroidis par liquide utilisent encore le refroidissement par air pour une partie de la charge thermique.
Le refroidissement direct sur puce, par exemple, cible généralement les composants les plus puissants, comme les CPU, GPU ou accélérateurs. Le reste du serveur peut encore utiliser des ventilateurs pour refroidir la mémoire, les alimentations, le stockage et d’autres composants moins puissants. Les portes arrière à échangeur de chaleur dépendent également du mouvement de l’air : les serveurs restent refroidis par air en interne, tandis que la porte refroidie par liquide capte la chaleur de l’air de sortie.
Il est plus juste de considérer le refroidissement liquide non pas comme un remplacement universel du refroidissement par air, mais comme un moyen de déplacer une plus grande partie de la charge thermique vers un circuit de fluide contrôlé.
Quels sont les principaux types de refroidissement liquide pour centres de données ?
Il existe quatre principales architectures de refroidissement liquide pour centres de données : le refroidissement direct sur puce, les échangeurs de chaleur en porte arrière, le refroidissement par immersion monophasé et le refroidissement par immersion biphasé. Chacune utilise un liquide pour évacuer la chaleur, mais celui-ci intervient à différents endroits du système.
- Refroidissement direct sur puce
Le refroidissement direct sur puce utilise des plaques froides montées directement sur des composants à forte puissance tels que des CPU, des GPU ou des accélérateurs. Un fluide caloporteur circule dans la plaque froide, absorbe la chaleur du boîtier de la puce et l’achemine vers un système de distribution de refroidissement.
Il s’agit de l’une des architectures les plus importantes pour les baies IA et HPC à haute densité, car elle refroidit directement les composants les plus chauds tout en permettant à une grande partie de l’architecture du serveur de demeurer familière. Le serveur n’est pas immergé, et le refroidissement par air peut encore être utilisé pour les composants moins puissants.
- Refroidissement biphasé direct sur puce
Le refroidissement biphasé direct sur puce utilise également des plaques froides ou des évaporateurs montés au niveau des composants à haute puissance, mais le fluide est conçu pour changer de phase à mesure qu’il absorbe la chaleur. Au lieu de rester liquide sur toute la plaque froide, le fluide de travail s’évapore au niveau ou à proximité de la source de chaleur, puis se condense ailleurs dans le système pour redevenir liquide.
L’avantage est l’efficacité thermique. Le changement de phase peut absorber une grande quantité de chaleur à une température relativement stable, ce qui rend le refroidissement biphasé direct sur puce intéressant pour des composants à très fort flux thermique. La contrepartie est une complexité système plus élevée. Ces systèmes doivent gérer les écoulements de vapeur et de liquide, le contrôle de la pression, les performances du condenseur, le choix du fluide et le confinement à long terme. Cela rend les tubes, les joints, les raccords, la résistance à la perméation et la compatibilité avec la vapeur particulièrement importants. - Échangeurs de chaleur en porte arrière
Un échangeur thermique de porte arrière remplace la porte arrière d'une baie de serveurs par un serpentin refroidi par liquide. Les ventilateurs des serveurs poussent l'air chaud rejeté à travers le serpentin, et le liquide extrait la chaleur avant que l'air n'entre dans la salle du centre de données ou l'allée chaude.
Cette approche est intéressante pour les modernisations, car les serveurs restent refroidis par air en interne et n'ont généralement pas besoin d'être modifiés. Le liquide reste au niveau de la baie plutôt que de pénétrer dans le serveur.
- Refroidissement par immersion monophasé
Le refroidissement par immersion monophasé consiste à immerger les serveurs dans un liquide diélectrique non conducteur. Le fluide absorbe la chaleur des composants du serveur tout en restant à l’état liquide pendant le fonctionnement.
Cette architecture peut prendre en charge des déploiements à haute densité, mais elle nécessite un examen plus large de la compatibilité des matériaux, car le fluide est en contact avec le serveur, les câbles, les étiquettes, les adhésifs, les joints et d’autres matériaux immergés. La question de la gestion du fluide s’étend au-delà des Tubes et des Raccords pour inclure tout ce que touche le fluide diélectrique.
- Refroidissement par immersion à deux phases
Le refroidissement par immersion biphasé utilise un fluide diélectrique qui bout au niveau des composants chauds puis se condense pour redevenir liquide. Le changement de phase permet au fluide d’absorber de grandes quantités de chaleur à une température quasi constante.
Les systèmes biphasés peuvent être très performants sur le plan thermique, mais ils nécessitent une sélection du fluide plus spécialisée, un confinement de la vapeur et une conception des joints d’étanchéité appropriée. Le système doit gérer l’exposition au liquide comme à la vapeur, ce qui rend la compatibilité des matériaux et l’étanchéité particulièrement importantes.
Qu'est-ce qui change lorsqu’un liquide entre dans le système ?
Le refroidissement liquide modifie la nature du problème d’ingénierie. Dans un système refroidi par air, l’accent est largement mis sur le flux d’air, la puissance des ventilateurs, les dissipateurs thermiques, le confinement et le refroidissement au niveau de la salle. Dans un système refroidi par liquide, ces préoccupations peuvent subsister, mais de nouvelles questions apparaissent, car le système doit désormais gérer un circuit de fluide maîtrisé.
Cela signifie que les ingénieurs et les acheteurs doivent réfléchir à la chimie du liquide de refroidissement, aux matériaux au contact du fluide, à la prévention des fuites, au cheminement des tuyaux, aux interfaces de raccords, à la compatibilité des joints, aux raccordements de service et aux pratiques de maintenance. Le système ne se contente plus de déplacer de l’air autour de l’électronique. Il fait circuler du liquide à proximité de l’électronique, à travers des connecteurs, des joints, des tubes, des collecteurs, des réservoirs ou des échangeurs de chaleur.
C’est le changement pratique clé : le refroidissement liquide ne consiste pas uniquement à évacuer la chaleur. Il s’agit aussi de déplacer et de contenir le liquide en toute sécurité pendant toute la durée de vie du système.
Pourquoi le type de liquide de refroidissement est important
Le fluide caloporteur détermine l’environnement chimique que doit supporter chaque composant en contact avec le fluide. Les systèmes à base d’eau, y compris de nombreux dispositifs de refroidissement direct sur puce (direct-to-chip) et des échangeurs de chaleur en porte arrière, utilisent souvent de l’eau traitée ou des mélanges glycol/eau. Les systèmes direct sur puce à deux phases peuvent employer des fluides de travail spécialisés choisis en fonction du point d’ébullition, du comportement diélectrique, des performances pression-température et de la compatibilité des matériaux. Mais la formulation complète compte. Les inhibiteurs de corrosion, les biocides, les tampons de pH et d’autres additifs peuvent influer sur la compatibilité avec les polymères, les élastomères, les métaux et les joints.
Les systèmes par immersion utilisent des fluides diélectriques, qui sont électriquement non conducteurs. Mais « fluide diélectrique » ne correspond pas à une chimie unique. Différents fluides diélectriques peuvent interagir différemment avec un même tube, un joint, un adhésif, une étiquette ou un matériau de joint.
Pour cette raison, la compatibilité doit être évaluée par rapport à la formulation réelle du fluide, et non seulement par rapport à une catégorie générale telle que « propylène glycol », « glycol/eau », « fluide de travail » ou « fluide diélectrique ».
Pourquoi les tubes, les raccords et les joints comptent
Le refroidissement liquide ne dépend pas seulement du liquide de refroidissement et de l’échangeur de chaleur. Le circuit de fluide doit être acheminé, connecté, rendu étanche, entretenu, surveillé et maintenu. Des assemblages de tubes et de tuyaux déplacent le liquide de refroidissement entre des équipements, des baies, des collecteurs, des réservoirs ou des échangeurs de chaleur. Les raccords et les systèmes de déconnexion rapide définissent la manière dont les circuits de fluide sont assemblés et entretenus. Les joints et garnitures d’étanchéité empêchent les fuites, les suintements, les pertes de vapeur et la contamination.
Ces composants ne bénéficient peut‑être pas de la même attention que les puces, les plaques froides, les unités de distribution de refroidissement ou les réservoirs, mais ils sont au cœur de la fiabilité du système. Un système de refroidissement liquide n’est fiable qu’à la hauteur des composants qui confinent et contrôlent le fluide.
C’est pourquoi « compatible avec le refroidissement liquide » n’est pas une spécification complète. Un composant peut convenir à une boucle glycol/eau directe vers la puce, mais être inadapté à un fluide diélectrique d’immersion. Un joint peut fonctionner dans une connexion fixe, mais pas dans un raccord à déconnexion rapide actionné de façon répétée. Un tuyau peut être chimiquement compatible mais trop rigide pour l’espace de passage disponible dans la baie.
Quelles questions les ingénieurs et les acheteurs techniques devraient-ils poser ?
Avant de sélectionner des composants de gestion des fluides pour un système de refroidissement liquide, les ingénieurs et les acheteurs techniques devraient commencer par se poser quelques questions pratiques :
- Quelle architecture de refroidissement liquide est utilisée ?
- Quel fluide caloporteur ou fluide diélectrique précis sera présent dans le système ?
- Quels matériaux seront en contact avec le fluide ?
- Quelles connexions sont statiques, maintenables ou actionnées de façon répétée ?
- Quelle plage de température et de pression les composants devront-ils supporter ?
- Existe-t-il des contraintes de rayon de courbure, de vibrations ou d’installation ?
- Quelles données de compatibilité sont disponibles pour la formulation réelle du fluide ?
Ces questions permettent de distinguer une promesse générique de refroidissement liquide d’un composant adapté à l’application réelle. Elles facilitent également l’identification des besoins éventuels en tests supplémentaires, en contribution du fournisseur ou en support d’ingénierie d’application.
Conclusion
Le refroidissement liquide des centres de données est une méthode d’évacuation de la chaleur à l’aide d’un liquide plutôt que de s’appuyer uniquement sur l’air. Il devient de plus en plus important à mesure que l’IA, le calcul haute performance (HPC) et d’autres charges de travail à haute densité génèrent davantage de chaleur dans des espaces de rack plus réduits.
Mais le refroidissement liquide n’est pas une technologie unique. Le refroidissement direct sur puce, le refroidissement direct sur puce à deux phases, les échangeurs de chaleur en porte arrière, l’immersion monophasée et l’immersion biphasée placent tous le fluide dans des parties différentes du système. Cela signifie qu’ils requièrent des fluides différents, des composants différents et des analyses de compatibilité différentes.
Pour les ingénieurs et les acheteurs techniques, le point de départ le plus important est simple : comprendre où va le liquide, ce qu’il touche et comment le système sera entretenu. À partir de là, les Tubes, les Raccords, les joints et d’autres Composants de Transfert de fluides peuvent être spécifiés en fonction de l’environnement réel de fonctionnement, et non simplement d’une catégorie générique de refroidissement liquide.
Références d’images
- Vaultas: www.vaultas.com
- LiquidCool Solutions: www.liquidcoolsolutions.com
- Ascentek: www.ascentek.com
Foire aux questions
Les systèmes de refroidissement direct sur puce et les systèmes à portes arrière utilisent souvent de l'eau traitée ou un mélange eau/glycol. Les systèmes biphasiques à refroidissement direct sur puce emploient des fluides de travail spécialisés, conçus spécifiquement pour leurs performances en matière de changement de phase. Les systèmes par immersion utilisent des fluides diélectriques. Le choix exact du fluide dépend de l'architecture et de la conception du système.
Les centres de données utilisent le refroidissement liquide car l’IA, le HPC et les charges de travail intensives en GPU augmentent la densité de puissance des racks. Un liquide peut évacuer plus de chaleur dans moins d’espace que l’air, ce qui le rend utile pour les environnements à haute densité.
Pas toujours. De nombreux systèmes refroidis par liquide utilisent encore un refroidissement par air pour les composants de faible puissance. Les systèmes de refroidissement direct sur puce et les échangeurs de chaleur en porte arrière sont souvent des approches hybrides.
Les principaux types sont le refroidissement direct sur puce, le refroidissement direct sur puce biphasé, les échangeurs thermiques en porte arrière, le refroidissement par immersion monophasé et le refroidissement par immersion biphasé.
Le refroidissement direct sur puce utilise des plaques froides montées sur des CPU, des GPU ou des accélérateurs. Le fluide caloporteur circule à travers la plaque froide et évacue la chaleur directement depuis le boîtier de la puce.
Le refroidissement biphasé direct sur puce utilise un fluide de travail qui change de phase à mesure qu’il absorbe la chaleur de puces haute puissance. Le fluide s’évapore au niveau de la plaque froide ou à proximité, puis se condense pour redevenir liquide, ce qui permet au système de transférer de grandes quantités de chaleur tout en maintenant des températures relativement stables.
Un échangeur de chaleur en porte arrière est un serpentin refroidi par liquide monté dans la porte arrière d'une baie de serveurs. Il extrait la chaleur de l'air d'évacuation des serveurs tout en maintenant un refroidissement interne par air des serveurs.
Le refroidissement par immersion consiste à immerger des serveurs dans un fluide diélectrique non conducteur. Ce fluide absorbe directement la chaleur des composants des serveurs.
Les systèmes direct sur puce et à porte arrière utilisent souvent de l’eau traitée ou un mélange eau-glycol. Les systèmes à immersion utilisent des fluides diélectriques. La nature exacte du fluide dépend de l’architecture et de la conception du système.
La chimie du liquide de refroidissement est importante, car les tubes, raccords, joints, garnitures, métaux et autres matériaux en contact avec le fluide doivent rester compatibles avec la formulation réelle du fluide au fil du temps.
Les Tubes, les Raccords et les joints acheminent, connectent et contiennent le liquide de refroidissement. Ils contribuent à prévenir les fuites, à maintenir la facilité d’entretien et à protéger l’électronique contre les défaillances liées aux fluides.
Les ingénieurs devraient commencer par l’architecture, le fluide précis, les matériaux avec lesquels le fluide sera en contact et le modèle de service. Ces détails déterminent les tubes, les raccords, les joints et les joints d’étanchéité appropriés.
Produits Associés
Comment fonctionne le refroidissement liquide des centres de données ?
Au niveau le plus simple, le refroidissement liquide d’un centre de données consiste à utiliser un liquide pour absorber la chaleur et la déplacer ailleurs. Le système capte la chaleur à proximité du serveur, de la baie ou du composant, la transfère à un liquide, fait circuler le liquide chauffé dans un circuit de fluide contrôlé, puis rejette la chaleur via un système de refroidissement secondaire.
Les détails varient selon l’architecture. Dans un système direct-to-chip, le fluide caloporteur circule à travers des plaques froides montées sur des processeurs haute puissance. Dans un système direct-to-chip biphasé, le fluide peut s’évaporer à l’intérieur ou à proximité de la plaque froide, puis se condenser ailleurs dans la boucle, en exploitant le changement de phase pour évacuer la chaleur plus efficacement depuis le boîtier de la puce. Dans un échangeur thermique à porte arrière, le liquide extrait la chaleur de l’air chaud quittant la baie. En refroidissement par immersion, les serveurs sont immergés dans un fluide non conducteur qui absorbe directement la chaleur des composants. Dans la plupart des cas, la chaleur est finalement transférée du système de refroidissement côté informatique vers un système de refroidissement des installations, tel que de l’eau glacée, un refroidisseur à sec (dry cooler), une tour de refroidissement ou un autre système de rejet de chaleur.