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Refroidissement à eau (1- Théorie) - HardWare.fr >> Overclocking
Rédigé par Alan Safranionek Années 70, la communauté scientifique à travers le monde ne vibre
qu’au rythme des premiers microprocesseurs marquant une évolution considérable dans
le monde de l’informatique. Depuis 1969, date de l’introduction de l’Intel
4004, toute l’industrie des microprocesseurs ne fait que suivre le loi énoncée par
le Dr. Gordon Moore : " le nombre de transistors et, consécutivement, la
puissance d’un microprocesseur, doublent tous les 18 mois ". Même si,
aujourd’hui, il semble que les méthodes litho photographiques de fabrication de
processeurs semblent devoir atteindre leurs limites d’ici 5 à 10 ans, force est de
reconnaître avec quelle exactitude cette loi fût suivie ces 30 dernières années.
Pourtant, entre 1970 et 1980 cette loi fût l’objet de bien des discussions car il
paraissait physiquement inimaginable d’obtenir des densités telles que celles que
nous connaissons aujourd’hui. De cette non-croyance découla le manque de développement de solutions
thermiques jusqu’à ce que, relativement récemment, elles deviennent nécessaires.
Il est important de noter la corrélation qui existe entre cette loi et la dissipation
thermique. En effet si le nombre de transistors doublait tous les 18 mois (et la
fréquence des microprocesseurs de façon équivalente), les évolutions des technologies
de gravure ne suivirent pas la même perspective si bien que puissance électrique
consommée et puissance thermique dégagée devinrent de plus en plus importantes. Si,
pendant plus de 20 ans on put se contenter d’exploiter les simples phénomènes de
convection naturelle et de radiation pour dissiper cette chaleur produite, l’AMD 486
DX2-80 fût le premier a nécessiter la présence d’un dissipateur pour fonctionner
de façon stable… évolution malheureusement irréversible, bien au contraire. Aujourd’hui, non seulement nos microprocesseurs ne peuvent se
passer d’un système de dissipation relativement conséquent, mais la loi de Moore
étant extensible à tous circuits intégrés, cette évolution touche aujourd’hui
les processeurs de nos cartes vidéo et rien ne dit que bientôt nos cartes son n’en
seront pas aussi affublées. Considérables augmentations de fréquence et du nombre de
transistors nous conduisent aujourd’hui à envisager des méthodes de refroidissement
" agressives ", telles que le refroidissement liquide… La Dissipation Le défi à relever consiste donc à dissiper une forte chaleur
produite de façon continue et très localisée… celle du processeur central de nos
machines. Aujourd’hui, sur tous les PC du marché, les microprocesseurs sont
surmontés en standard d’un dissipateur thermique, plus connu sous le nom de
radiateur. Ce dispositif simple permet en fait d’agrandir de façon substantielle la
surface présentée au caloporteur (ici l’air) ce qui améliorera l’efficacité
de la dissipation. Fixé sur la pièce à refroidir, il en prend la chaleur par conduction
thermique (échange d’énergie cinétique entre molécules), et l’évacue par la
négligeable radiation (rayonnement électromagnétique photonique, fig. de gauche) mais
surtout par convection naturelle ou forcée (transfert par mouvement de molécules fig. de
droite) La nature électromagnétique du rayonnement de la radiation est en
fait la raison de la prédominance du noir dans la couleur du dissipateur. Les phonons mis en jeu dans le matériau sont dissipés par émission électromagnétique de photons (lumière). Même si aujourd’hui
cela n’a plus trop lieu d’être, il y’a une vingtaine d’années, dans
certains supercalculateurs on cherchait à éviter tout parasite dû à ce rayonnement
électromagnétique, et c’est pourquoi la plupart des dissipateurs furent anodisés
en noir pour mieux réabsorber ce rayonnement. Paradoxal, cette action à pour effet de
réchauffer comme vous l’aurez compris le dissipateur… mais la quantité de
chaleur évacuée par radiation est en fait totalement négligeable… et négligée. Bien qu’un dissipateur passif n’est sensé employer
qu’une convection naturelle, on notera que de nombreux grands constructeurs comme
Dell ou Compaq se passent de ventilateur couplé directement au dissipateur qu’ils
utilisent en guidant le flux d’air dans l’unité centrale de façon à ce
qu’une convection forcée se produise tout de même. C’est pourquoi le refroidissement liquide semble se présenter
comme une alternative intéressante aux méthodes plus traditionnelles. La seule
différence entre refroidissements à air et à eau est le changement de caloporteur pour
un autre 300 fois plus dense. Cette seule et simple différence de densité moléculaire a
donc consécutivement pour effet d’améliorer proportionnellement le transport de
chaleur par convection forcée comme expliqué ci dessus. Le refroidissement liquidePage 4 Suite & Conclusion Copyright © 1997-2010 HardWare.fr. Tous droits réservés.
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L’efficacité
d’un tel système dépend principalement de deux facteurs : la surface
présentée au caloporteur et surtout la capacité du dissipateur à pomper la chaleur de
l’objet chaud, sa capacité à conduire celle-ci… sa conductivité. Et
c’est là qu’intervient le choix du matériau à employer. En effet tous les
matériaux sont loin d’avoir une conductivité équivalente. Comme nous le montre le
tableau ci-contre, on peut voir que le champion de la conductivité est, si l´on exclu le
diamant, l’argent… mais son prix est prohibitif et sa densité très importante.
Suivent le cuivre, l’or, et l’aluminium. Comme nous le savons tous ici, ce
dernier est le matériau le plus largement utilisé, mais pas le plus efficace. Il
constitue en effet un excellent compromis conductivité/légèreté/prix et c’est
pour cela qu’il est difficile de trouver aujourd’hui des dissipateurs employant
d’autres matériaux que l’aluminium. Cependant, devant l’augmentation du
dégagement calorifique des microprocesseurs d’aujourd’hui, certains fabricants
(Alpha Novatec le premier) introduirent une solution mixte alu/cuivre avec un insert de
cuivre en contact direct avec l’élément à refroidir permettant ainsi de
" pomper " plus rapidement la chaleur produite et de mieux la
répartir sur tout le dissipateur. Mais même ces dissipateurs, aussi efficaces soient
t´ils, n’arrivent plus à combler les Power Users et se révèlent surtout coûteux,
encombrants, lourds et bruyants (du fait de l´emploi de ventilateurs).
Un échangeur placé sur le CPU
permettant de transmettre la chaleur produite par celui-ci au caloporteur. Il s’agit
d’un organe avec de l’eau en entrée aussi bien qu’en sortie, un échangeur
eau/eau. Usuellement, on appelle cet échangeur, échangeur interne. Celui absorbe la
chaleur du CPU par contact avec celui-ci (par conduction) c’est pourquoi il faudra
s’assurer d’utiliser pour cet échangeur un matériau à très fort
conductivité et limiter au maximum le distance entre le corps chaud et le caloporteur. Il
existe plusieurs types d’échangeurs internes, physiquement en fonctionnellement
différents. Cependant, comme dans toutes les autres industries qui utilisent ce type de
refroidissement, un échangeur constitué en interne d’un serpentin donnant un trajet
précis à l’eau se révèlera dans tous les cas plus efficace que tout autre
système à flux non guidé.
Un dispositif
d’évacuation de la chaleur. Celui-ci a pour but de défaire le caloporteur de la
chaleur qu’il aura accumulé lors de son passage dans l’échangeur interne. Il
existe de nombreux types de dispositifs remplissant ce rôle. La plupart du temps, et
comme c´est le cas dans une voiture, on utilise un échangeur de type air/eau (eau
refroidie par l’air ambiant par convection forcée). Ce type d’échangeur est
très efficace, relativement peu coûteux quand on sait bricoler mais a pour désavantage
de nécessiter souvent l’emploi de deux ventilateurs pour une efficacité optimale.
Parmi ce type d’échangeurs, il y’a encore plusieurs sous-types
d’échangeur air/eau. Ceux employant un nid d’abeille (comme ceux de vos
voitures), des simples tours de tuyaux de cuivre enroulées et ventilées ou encore un
disque de tuyaux de cuivre enroulés et ventilées. Parfois on voit même des serpentins
de cuivre (comme ceux utilisés à l’arrière de votre réfrigérateur) utilisés de
manière passive et donc non ventilés. Cette solution peut s’avérer satisfaisante
dans bien des cas, même pour de gros overclockings sous réserve qu’ils
n’emploient pas de plaques à effet Peltier qui doubleront au minimum la chaleur à
dégager. Dans des systèmes informatiques très denses l’eau utilisée pour le
refroidissement des CPUs et elle-même refroidie par un circuit liquide secondaire qui
peut faire entrer en jeu un liquide parfois réfrigéré.
Un dispositif permettant de
créer le cycle du caloporteur… plus simplement une pompe. Immergée dans un
réservoir ou externe celle-ci crée le cycle du liquide et l’emmène vers
l’échangeur interne puis l’échangeur externe et ainsi de suite d’ou
l’aspect autonome et perpétuel du circuit. Sont souvent utilisées des pompes
d’aquarium immergées dont le débit varie de 400l/h à 1200l/h et qui restent la
plupart du temps inaudibles. L’emploi de pompes externes peut économiser celui
d’un réservoir d’eau mais elles sont souvent plus difficiles à trouver et
surtout plus bruyantes.