- 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 d'un centre de données ?
- Le refroidissement liquide remplace-t-il le refroidissement par air ?
- Qu'est-ce qui change lorsque du liquide pénètre 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 ou des équipements de calcul à forte puissance. Au lieu de s’appuyer uniquement sur l’air circulant dans la salle des serveurs, le refroidissement liquide amène un milieu de transfert de chaleur 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’échappement 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 comprend le refroidissement direct sur puce, le refroidissement direct sur puce biphasique, les échangeurs thermiques en porte arrière, le refroidissement par immersion monophasique et le refroidissement par immersion biphasique. Chaque architecture place le liquide à un endroit différent du système, utilise des fluides différents et engendre des exigences différentes pour les tubes, les raccords, les joints, les joints d’étanchéité et les autres composants de gestion des fluides.
Pour les ingénieurs et les acheteurs techniques, la question pratique n’est pas seulement « ce centre de données doit-il utiliser le refroidissement liquide ? ». C’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 s’orientent 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 de GPU concentrent davantage de chaleur dans des espaces plus réduits. Le refroidissement par air peut encore convenir à de nombreux environnements, mais à mesure que la densité de puissance augmente, les systèmes à air exigent souvent plus 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 aux exploitants une autre option. 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 attrayant 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, vise généralement les composants les plus énergivores, tels que 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 échangeurs de chaleur en porte arrière 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.
Une meilleure façon d’envisager le refroidissement liquide n’est pas comme un remplacement universel du refroidissement par air, mais comme un moyen de diriger une plus grande part 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 monophasée et le refroidissement par immersion biphasée. Chacune utilise un liquide pour évacuer la chaleur, mais le liquide intervient à différents endroits du système.
- Refroidissement direct sur puce
Le refroidissement direct à la puce utilise des plaques froides montées directement sur des composants à forte puissance tels que des CPU, des GPU ou des accélérateurs. Le fluide caloporteur circule à travers 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 racks 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 serveur de rester familière. Le serveur n’est pas immergé et le refroidissement par air peut encore être utilisé pour les composants à plus faible puissance.
- Refroidissement biphasé direct sur puce
Le refroidissement biphasé direct sur puce utilise également des plaques froides ou des évaporateurs montés au niveau de composants à forte puissance, mais le fluide est conçu pour changer d’état en absorbant la chaleur. Au lieu de rester liquide tout au long de 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, c’est l’efficacité thermique. Le changement de phase peut absorber une grande quantité de chaleur à une température relativement stable, ce qui rend le biphasé direct sur puce attrayant pour des composants à très fort flux thermique. La contrepartie est une plus grande complexité du système. Ces systèmes doivent gérer les débits de vapeur et de liquide, le contrôle de la pression, les performances du condenseur, le choix du fluide et l’étanchéité 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 à porte arrière
Un échangeur de chaleur en porte arrière remplace la porte arrière d'une baie de serveurs par un serpentin refroidi par liquide. Les ventilateurs des serveurs propulsent l'air chaud d'évacuation à travers le serpentin, et le liquide évacue la chaleur avant que l'air n'entre dans la salle du centre de données ou dans l'allée chaude.
Cette approche est attrayante pour les projets de modernisation, car les serveurs restent refroidis par air en interne et n'ont généralement pas besoin d'être modifiés. Le liquide reste au périmètre de la baie plutôt que de pénétrer dans le serveur.
- Refroidissement par immersion à une phase
Le refroidissement par immersion monophasique immerge les serveurs dans un liquide diélectrique non conducteur. Le fluide absorbe la chaleur des composants du serveur mais reste à l’état liquide pendant le fonctionnement.
Cette architecture peut prendre en charge des déploiements à haute densité, mais elle exige une évaluation 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 des fluides s’étend au-delà des tubes et des raccords pour inclure tout ce que le fluide diélectrique touche.
- Refroidissement par immersion biphasé
Le refroidissement par immersion biphasique utilise un fluide diélectrique qui bout au niveau des composants chauds et se condense pour revenir à l’état liquide. Le changement de phase permet au fluide d’absorber de grandes quantités de chaleur à une température quasi constante.
Les systèmes biphasiques peuvent être très performants sur le plan thermique, mais ils nécessitent une sélection de fluide plus spécialisée, un confinement de la vapeur et une conception des joints plus élaborée. Le système doit gérer l’exposition à la fois au liquide et à la vapeur, ce qui rend la compatibilité des matériaux et l’étanchéité particulièrement importantes.
Qu'est-ce qui change lorsque du liquide pénètre dans le système ?
Le refroidissement liquide change la nature du problème d’ingénierie. Dans un système refroidi par air, l’attention porte en grande partie 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 toujours exister, mais de nouvelles questions apparaissent, car le système doit désormais gérer un cheminement de fluide contrôlé.
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 connexions de service et aux pratiques de maintenance. Le système ne se contente plus de faire circuler de l’air autour des composants électroniques. Il fait circuler un liquide à proximité des composants électroniques, à travers des connecteurs, des joints, des tubes, des collecteurs, des réservoirs ou des échangeurs de chaleur.
Voilà le changement pratique essentiel : le refroidissement liquide ne consiste pas seulement 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 compte
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 nombreuses conceptions de refroidissement direct sur puce et d’échangeurs de chaleur en porte arrière, utilisent souvent de l’eau traitée ou du glycol/eau. Les systèmes biphasés de refroidissement direct sur puce peuvent utiliser des fluides de travail spécialisés choisis pour leur point d’ébullition, leur comportement diélectrique, leurs performances pression-température et leur compatibilité avec les matériaux. Mais la formulation complète compte. Les inhibiteurs de corrosion, biocides, tampons de pH et autres additifs peuvent affecter 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 désigne pas une chimie unique. Différents fluides diélectriques peuvent interagir différemment avec un même matériau de tuyau, de joint, d’adhésif, d’étiquette ou de garniture d’étanchéité.
Pour cette raison, la compatibilité doit être évaluée par rapport à la formulation réelle du fluide, et non uniquement 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 uniquement du fluide caloporteur et de l’échangeur de chaleur. Le circuit de fluide doit être acheminé, raccordé, étanchéifié, pouvoir faire l’objet d’interventions, être surveillé et maintenu. Des assemblages de tubes et de tuyaux acheminent le fluide caloporteur entre les équipements, les baies, les collecteurs, les réservoirs ou les échangeurs de chaleur. Les raccords et les raccords à déconnexion rapide définissent la manière dont les circuits de fluide sont assemblés et entretenus. Les joints et les garnitures empêchent les fuites, les suintements, les pertes de vapeur et la contamination.
Ces composants ne reçoivent peut‑être pas 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 pas plus fiable que les composants qui contiennent 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 « direct‑to‑chip » mais être inadapté à un fluide d’immersion diélectrique. Un joint peut fonctionner dans une connexion statique mais pas dans un raccord à déconnexion rapide actionné de manière répétée. Un tuyau peut être chimiquement compatible mais trop rigide pour l’espace de cheminement disponible dans la baie.
Quelles questions les ingénieurs et les acheteurs techniques devraient-ils poser ?
Avant de sélectionner des composants de transfert de 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 de refroidissement ou fluide diélectrique exact sera utilisé dans le système ?
- Quels matériaux seront en contact avec le fluide ?
- Quelles connexions sont statiques, démontables pour maintenance, ou manœuvrées de manière répétée ?
- Quelle plage de températures et de pressions les composants rencontreront-ils ?
- Y a-t-il des contraintes liées au rayon de courbure, aux vibrations ou à l’installation ?
- Quelles données de compatibilité sont disponibles pour la formulation réelle du fluide ?
Ces questions permettent de faire la part entre une déclaration générique sur le refroidissement liquide et un composant qui correspond à l’application réelle. Elles facilitent également l’identification des besoins éventuels en essais complémentaires, en avis 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 qui utilise 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 baie plus réduits.
Mais le refroidissement liquide n’est pas une technologie unique. Le refroidissement direct sur puce, le refroidissement direct sur puce diphasé, les échangeurs thermiques à porte arrière, l’immersion monophasée et l’immersion diphasée placent tous le fluide à des endroits différents du système. Cela signifie qu’ils exigent des fluides différents, des composants différents et des revues de compatibilité distinctes.
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 autres composants de gestion des fluides peuvent être spécifiés en fonction de l’environnement opérationnel réel, et non pas seulement d’une catégorie générique de refroidissement liquide.
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.
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Comment fonctionne le refroidissement liquide d'un centre de données ?
Au niveau le plus simple, le refroidissement liquide des centres 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, transfère cette chaleur à un liquide, fait circuler le liquide chauffé à travers un chemin de fluide contrôlé, puis rejette la chaleur via un système de refroidissement secondaire.
Les détails varient selon l’architecture. Dans un système direct sur puce, le fluide caloporteur circule dans des plaques froides montées sur des processeurs haute puissance. Dans un système direct sur puce à deux phases, le fluide peut s’évaporer à l’intérieur ou à proximité de la plaque froide, puis se condenser ailleurs dans la boucle, en utilisant le changement de phase pour transférer la chaleur plus efficacement depuis le boîtier de la puce. Avec un échangeur de chaleur à porte arrière, le liquide évacue la chaleur de l’air chaud quittant la baie. En refroidissement par immersion, les serveurs sont immergés dans un fluide non conducteur qui absorbe la chaleur directement depuis les composants. Dans la plupart des cas, la chaleur finit par être transférée du système de refroidissement côté informatique vers un système de refroidissement des installations, comme de l’eau glacée, un aérorefroidisseur, une tour de refroidissement ou un autre système de rejet de chaleur.