Refroidissement de centres de données

Avec l’explosion des applications fortement consommatrices de données, comme l’intelligence artificielle (IA) et l’IoT, même les centres de traitement de données les plus modernes dans lesquels des appareils informatiques puissants sont installés en très forte densité ont tendance à être de moins en moins aptes à maîtriser les charges de travail générées sur un plan purement physique.

Le système de refroidissement joue un rôle central dans les centres de données. Dans ce type de centres, il est nécessaire d’évacuer la chaleur dissipée par les serveurs et de réguler l’humidité afin de sécuriser efficacement les données. Pour ce faire, il est possible d’utiliser de l’air, de l’eau ou la condensation liée à une évaporation. L’objectif est de maintenir la température de fonctionnement dans une plage définie avec des variations aussi minimes que possible. En principe, la température idéale se situe entre 22 et 25 degrés Celsius. Il est également possible de monter jusqu’à 27 degrés.

Les systèmes de refroidissement des centres de traitement de données est un marché en pleine croissance dans le monde entier, qui devrait atteindre 15,7 milliards de dollars d’ici 2025 selon MarketsandMarkets.

La thématique de la durabilité
Les exploitants de centres de données doivent non seulement assurer la sécurité des données et des applications, mais également se préoccuper de la durabilité et de la rentabilité. D’ici 2030, les centres de données pourraient représenter jusqu’à huit pour cent de la consommation électrique mondiale. En réfléchissant uniquement en termes de « coûts », il apparaît clairement que l’efficacité énergétique des centres de données est une thématique cruciale, qu’il s’agisse de centres de données dédiés à des entreprises, de centres de données à très grande échelle, de centres de données en colocation, de centres de données basés sur le cloud ou Edge.

La Power Usage Effectiveness ou PUE (en français : efficacité énergétique) est l’un des indicateurs majeurs en termes de durabilité. Cette valeur est le résultat du rapport entre l’énergie totale nécessaire à un centre de données et l’énergie consommée par l’infrastructure informatique pour le traitement des données. Plus la valeur est proche de 1, plus un centre de données travaille efficacement. Avec la technologie moderne, il est désormais possible d’atteindre des valeurs inférieures à 1,3. Cela n’est possible qu’avec un système de refroidissement fiable qui consomme le moins d’énergie possible.

Trois méthodes de refroidissement
En principe, il existe trois manières de refroidir dans un centre de traitement de données : refroidissement libre (direct et indirect, c’est-à-dire avec un échangeur de chaleur), refroidissement mécanique (à l’aide d’agent réfrigérant) et refroidissement par évaporation ou refroidissement adiabatique à l’aide d’eau ou de vapeur d’eau. Dans ce cadre, le refroidissement par air et par liquide sont les méthodes les plus populaires.

Le refroidissement à l’aide d’air en circulation à l’intérieur des locaux est particulièrement adapté pour les centres de données de petite taille ou de taille moyenne. Un concept supplémentaire de couloirs chauds ou froids avec un circuit de refroidissement interne fermé (Closed Coupled Cooling, CCC) permet d’optimiser l’efficacité du refroidissement. Dans ce cadre, l’air froid circule dans les appareils ou dans les racks eux-mêmes. Cette dernière méthode est utilisée, par exemple, dans les centres de données modulaires intelligents (Smart Modular Data Centres, SMDC) de Datwyler. Elle est généralement plus efficace que les concepts de refroidissement basés sur l’espace car elle intègre une configuration combinée de couloirs chauds et de couloirs froids.

Cette méthode peut également être mise en œuvre avec un refroidissement par liquide. Le liquide est un meilleur conducteur de chaleur que l’air et il convient également pour des densités d’appareils importantes et pour des appareils produisant beaucoup plus de chaleur que la moyenne, par exemple dans des centres de traitement de données à haute densité. En comparaison avec le refroidissement par air, le refroidissement par liquide est un système de refroidissement plus efficace et meilleur marché (en termes d’exploitation) pour opérer dans des centres de données à très grande échelle, notamment lorsqu’il est installé directement sur les appareils nécessitant le plus de refroidissement dans le centre de données.

Le refroidissement par liquide, un marché en pleine croissance
Il existe deux types principaux de refroidissement par liquide : le refroidissement par immersion et le refroidissement par eau. Dans le cadre du refroidissement par immersion, la totalité de l’appareil électrique est plongée dans un système fermé, dans un liquide diélectrique ininflammable. Des tuyaux flexibles peuvent également guider le liquide diélectrique directement vers les puces ou les circuits imprimés principaux.

En outre, il existe deux types de systèmes de refroidissement par immersion : Dans le cas du refroidissement par immersion à phase unique, le liquide diélectrique reste à l’état fluide après l’apport de chaleur des composants. La chaleur est transmise à un échangeur de chaleur, d’où elle est évacuée et le liquide refroidi est réintroduit dans le circuit. Contrairement à cela, un liquide diélectrique est utilisé dans le cadre du refroidissement par immersion en deux phases. Il bout à une température relativement basse (typiquement entre 50 et 60 degrés Celsius ou 122 et 140 degrés Fahrenheit) et se transforme en vapeur. La vapeur monte, se condense sur une surface froide (par ex. un serpentin), reprend la forme liquide et retourne dans le réservoir. Les deux méthodes de refroidissement sont efficaces ; toutefois, les systèmes en deux phases offrent généralement un rendement thermique supérieur en raison de la chaleur latente d’évaporation.

Dans le cas du refroidissement par eau, le refroidissement se déroule également directement sur la puce, avec tous les avantages mentionnés. Selon les observateurs du marché, cette méthode a le vent en poupe dans les mégacentres de données, notamment pour le refroidissement des serveurs, des processeurs graphiques (GPU) et des mémoires flash. En effet, le refroidissement direct avec de l’eau ne fonctionne pas encore très bien pour des composants tels que des disques durs, des bandes de stockage, des ASC et des composants réseau.

Selon les prévisions, le marché du refroidissement par liquide et par immersion devrait atteindre un volume de 2,5 milliards de dollars d’ici 2030.