Refroidissement des centres de données : l’importance de la dissipation thermique du circuit secondaire

Le centre de données, centre matériel de notre ère numérique, est comme un cerveau au travail : il traite des milliards d’informations par seconde et chaque clic, chaque vidéo en streaming, chaque transaction en ligne dépend de cette infrastructure. Derrière tout cela se cache un défi crucial : des milliards de calculs sont effectués chaque seconde, générant une quantité énorme et ininterrompue de chaleur. Il est donc important le refroidissement efficace des centres de données.

À différentes époques, différentes solutions ont été conçues pour gérer cette chaleur : des systèmes de refroidissement par air et des systèmes à eau qui transfèrent la chaleur à un fluide caloporteur. C’est également là qu’intervient le refroidissement du circuit secondaire des centres de données, pour la dissipation de la chaleur de ce même fluide par le biais de diverses solutions : échangeurs de chaleur, tours de refroidissement, refroidisseurs adiabatiques, aéroréfrigérants et groupes frigorifiques.

1. L'importance d'un refroidissement efficace dans les centres de données : une vue d'ensemble

Les centres de données sont des installations physiques qui abritent de grands serveurs, des machines de traitement des données et des équipements de soutien, fonctionnant en continu 24 heures sur 24. Cette activité continue génère d’énormes quantités de chaleur, qui doivent être gérées efficacement pour assurer la continuité des activités. Il est donc essentiel de refroidir efficacement les centres de données pour garantir des performances optimales tout en réduisant l’impact sur l’environnement.

La consommation liée au refroidissement des centres de données est assez importante : jusqu’à 40 % des ressources énergétiques internes, selon des estimations récentes. Cela souligne l’importance de développer des solutions de refroidissement de plus en plus efficaces, tant sur le plan fonctionnel qu’économique.

Les organisations les plus attentives tentent d’optimiser les coûts et de réduire les émissions nocives pour l’environnement en se concentrant sur la conception de centres de données basée sur des critères d’efficacité rigoureux, en accordant une attention particulière à la durabilité environnementale et économique.

Il existe différents systèmes de refroidissement pour les centres de données, chacun ayant ses propres avantages.

La réglementation européenne joue un rôle important dans l’adoption de systèmes de refroidissement plus efficaces.

2. Refroidissement des centres de données : le circuit secondaire

Dans ce contexte, le circuit secondaire du centre de données est la partie d’un système de refroidissement qui transfère la chaleur des équipements informatiques (serveurs, stockage, réseau) à un fluide caloporteur.

Il est essentiel de maintenir le liquide de refroidissement à une température optimale pour plusieurs raisons.

• Préservation de l’équipement. Un refroidissement inadéquat peut endommager les serveurs, le stockage et d’autres composants du centre de données, entraînant des coûts de remplacement élevés. Les températures élevées peuvent en effet réduire la durée de vie des équipements informatiques. Un refroidissement adéquat permet de protéger le matériel d’une défaillance prématurée, réduisant ainsi les coûts de maintenance et de remplacement.
• Efficacité énergétique. Un système bien conçu et bien entretenu peut réduire de manière significative la consommation d’énergie d’un centre de données. En effet, moins on utilise d’énergie pour le refroidissement, plus on dispose d’énergie pour le traitement des données. La durabilité environnementale est synonyme de durabilité économique.
• Disponibilité. Un système de refroidissement fiable garantit la continuité des activités pour tous les équipements, où la surchauffe peut entraîner des dysfonctionnements et des interruptions de service.

3. Systèmes de refroidissement par air : avantages et limites

Avant d’énumérer les moyens de dissiper la chaleur du circuit secondaire, prenons un peu de recul et découvrons la technologie largement utilisée pour le refroidissement des centres de données : les systèmes de refroidissement par air. Ces dispositifs utilisent l’air comme moyen de dissiper la chaleur générée par les équipements informatiques.

Ce sont des dispositifs simples qui rendent souvent superflu un circuit secondaire.

Voyons d’abord les deux possibilités en la matière : le refroidissement direct de la salle et le refroidissement en rangée.

3.1 Refroidissement des salles de serveurs

Fluide de refroidissement primaire : air.

Mode de refroidissement du circuit secondaire : non applicable (circuit d’air).

Description : la chaleur est dissipée directement dans l’air ambiant par des dissipateurs de chaleur, des ventilateurs et des refroidisseurs secs.

Applications

• Centres de données avec des charges thermiques modérées.
• Climats frais et secs où l’air extérieur est suffisant pour le refroidissement.

Avantages

• Faibles coûts d’installation et de maintenance.
• Pas d’utilisation d’eau.

Inconvénients

• Efficacité limitée dans les climats chauds.
• Sensibilité aux variations environnementales.

Cette approche implique l’utilisation d’unités de climatisation de salles informatiques (CRAC) pour refroidir l’ensemble de la salle.

A évaluer :

1. l’efficacité énergétique de cette solution,
2. le mélange d’air chaud et d’air froid,
3. la formation éventuelle de points chauds.

Pour optimiser l’efficacité du refroidissement de la pièce, il est essentiel de suivre les directives ASHRAE TC 9.9, qui fournissent des recommandations sur les températures et l’humidité acceptables pour les centres de données. En outre, l’utilisation de panneaux d’obturation peut empêcher l’air chaud de se mélanger à l’air froid, améliorant ainsi l’efficacité globale du système.

3.2. Refroidissement en rangée

Le refroidissement en rangée représente une évolution par rapport au refroidissement traditionnel des salles. Cette approche consiste à installer des unités de refroidissement directement dans les rangées de racks de serveurs (c’est-à-dire la structure physique en forme d’armoire conçue pour abriter et organiser les dispositifs matériels), en rapprochant la source de refroidissement de l’équipement informatique qui génère de la chaleur.

Les avantages du refroidissement en rangée sont les suivants

1. Efficacité accrue : les unités de refroidissement en rangée suivent des trajectoires courtes et linéaires, ce qui réduit la puissance nécessaire à l’entraînement des ventilateurs et augmente l’efficacité énergétique.
2. Flexibilité : le refroidissement peut être adapté aux besoins spécifiques de certaines rangées ou zones du centre de données.
3. Gestion des points chauds : le refroidissement en rangée est plus efficace pour gérer les zones à forte densité thermique, ce qui réduit le risque de surchauffe des équipements.

Aspects à analyser

1. Coûts initiaux : la mise en œuvre d’un système de refroidissement en rangée peut nécessiter un investissement initial plus élevé que le refroidissement traditionnel de la pièce.
2. Espace : les unités de refroidissement en rangée occupent de l’espace dans les rangées de baies et peuvent donc réduire l’espace disponible pour les équipements informatiques.

4. Refroidissement par liquide

Le refroidissement par liquide est une solution pour refroidir le circuit primaire des centres de données.

Cette technologie exploite les propriétés supérieures des liquides pour dissiper la chaleur plus efficacement que les autres systèmes de refroidissement.

Elle présente également un intérêt en raison de l’augmentation des densités de puissance et des performances requises par l’intelligence artificielle, les supercalculateurs et d’autres applications informatiques à haute performance.

4.1. Refroidissement direct par liquide

Fluide de refroidissement primaire : eau ou eau + glycol

Mode de refroidissement du circuit secondaire :

• Tours d’évaporation.
• Refroidisseur sec.
• Groupes froids.

Description de l’installation

Il liquido passa direttamente attraverso i componenti elettronici (es. CPU, GPU) tramite scambiatori di calore o tubazioni dedicate.

Les applications

• Centres de données dotés d’équipements à haute performance.
  Solutions hybrides avec refroidissement par air pour les composants secondaires.

Avantages

• Refroidissement ciblé des composants critiques.
  Efficacité énergétique supérieure à celle du refroidissement par air.

Inconvénients

• Risque de fuite d’eau.
  Plus grande complexité de la maintenance.

Le refroidissement liquide direct, également appelé refroidissement direct sur puce, implique l’utilisation de plaques de refroidissement placées directement sur les composants qui génèrent le plus de chaleur, tels que les CPU et les GPU.

Selon certaines estimations, cette méthode permet de dissiper jusqu’à 70-75% de la chaleur produite par l’équipement dans le rack. Le liquide de refroidissement, qui peut être de l’eau ou un fluide spécial, circule à travers ces plaques, absorbant la chaleur et la transportant vers un échangeur de chaleur externe.

L’un des principaux avantages de cette technologie est sa capacité à gérer des densités de puissance très élevées, ce qui permet de prendre en charge les processeurs et les GPU ayant des besoins thermiques importants. Cela augmente considérablement la densité de calcul des centres de données, permettant d’héberger plus de serveurs dans un espace plus petit sans risque de surchauffe.

Examinons maintenant les deux principales formes de refroidissement liquide (et les modes de refroidissement des circuits secondaires) : le refroidissement par immersion et le refroidissement liquide indirect.

4.2. Refroidissement par immersion

Fluide de refroidissement primaire : « fluide diélectrique.

Mode de refroidissement du circuit secondaire :

• Echangeurs de chaleur à plaques.
• Circuits secondaires à eau ou eau + glycol refroidis par tours d’évaporation, dry coolers ou chillers.

Description

Les composants électroniques sont immergés dans un « fluide diélectrique » qui absorbe la chaleur et la transfère à un circuit secondaire.

Applications

• Centres de données à haute densité de calcul.
• Applications critiques telles que le calcul scientifique ou l’intelligence artificielle.

Avantages

• Efficacité thermique maximale.
• Réduction du bruit et de la consommation d’énergie grâce à la ventilation.
• Protection avancée contre la poussière et l’humidité.

Inconvénients

• Coût initial élevé.
• Nécessite un contrôle des fluides pour maintenir les propriétés diélectriques.

Dans le cas du refroidissement par immersion, les serveurs et autres composants électroniques sont complètement immergés dans un liquide diélectrique thermoconducteur. Cette solution élimine le besoin de systèmes de ventilation, ce qui réduit considérablement le bruit et les coûts de maintenance.

Il existe deux variantes principales de refroidissement par immersion :

1. Monophasé : le liquide de refroidissement circule et est refroidi en permanence pour dissiper la chaleur.
2. En deux phases : un liquide à faible point d’ébullition est utilisé. La chaleur évapore le liquide, qui se condense et retourne dans le système.

Le refroidissement par immersion offre de nombreux avantages. Il s’agit notamment d’une efficacité thermique supérieure et de la capacité à gérer des charges thermiques extrêmement élevées. En outre, cette technologie permet de réaliser d’importantes économies d’énergie en réduisant la consommation d’énergie et d’eau par rapport aux systèmes conventionnels de refroidissement par air.

Malgré ses avantages, le refroidissement par liquide présente également certains défis. Les coûts initiaux de mise en œuvre peuvent être élevés, en particulier pour les centres de données existants qui nécessitent des modifications substantielles de l’infrastructure. En outre, la gestion des liquides dans le centre de données nécessite une expertise spécialisée et des mesures de sécurité adéquates pour éviter les pertes et les dommages aux équipements.

Toutefois, les avantages à long terme en termes d’efficacité énergétique, de densité de calcul et de durabilité incitent de plus en plus d’opérateurs de centres de données à envisager sérieusement l’adoption de technologies de refroidissement liquide. De grandes entreprises technologiques telles que Google, Microsoft et Facebook testent et mettent déjà en œuvre ces solutions dans leurs centres de données, démontrant ainsi le potentiel de cette technologie pour l’avenir de l’industrie.

En conclusion, le refroidissement liquide en général, et le refroidissement par immersion en particulier, apparaît comme une solution prometteuse pour relever les défis thermiques et énergétiques croissants des centres de données modernes. Avec l’augmentation continue des besoins en puissance de calcul et l’importance croissante accordée au développement durable, il est probable que cette technologie se taillera la part du lion dans l’avenir du refroidissement des centres de données.

4.3. Refroidissement indirect par liquide

Fluide de refroidissement primaire : eau ou eau + glycol

Mode de refroidissement du circuit secondaire :

• Tours d’évaporation
• Refroidisseur sec
• Groupe froid

Description. La chaleur est transférée des composants électroniques vers un liquide de refroidissement primaire par l’intermédiaire d’échangeurs de chaleur.

Applications

• Centres de données de moyenne et grande taille.
• Zones où la disponibilité de l’eau est limitée.

Avantages

• Plus grande flexibilité dans l’utilisation des fluides secondaires.
• Possibilité d’utiliser des circuits fermés pour réduire la consommation d’eau.

Inconvénients

• Efficacité inférieure à celle du refroidissement direct par liquide.
• Coûts d’exploitation plus élevés dans les environnements chauds.

Le refroidissement indirect par liquide dans les centres de données est une solution qui utilise un fluide, généralement de l’eau ou un mélange eau-glycol, pour dissiper la chaleur générée par les serveurs. Contrairement au refroidissement direct, où le liquide entre en contact avec les composants informatiques, dans le système indirect, la chaleur est transférée via un échangeur de chaleur. Cette approche permet d’isoler les appareils du liquide, ce qui réduit le risque de dommages accidentels.

Ce système offre plusieurs avantages, notamment une grande efficacité énergétique. La séparation entre le liquide et les composants informatiques garantit une plus grande sécurité et réduit le bruit de fonctionnement. Cependant, le refroidissement indirect par liquide présente également quelques problèmes critiques. Quelques exemples : des coûts initiaux élevés, une maintenance plus complexe et des besoins en espace pour les installations externes. En outre, dans les climats chauds, l’efficacité peut diminuer, ce qui accroît la dépendance à l’égard des groupes frigorifiques.

Le refroidissement indirect par liquide est donc un choix polyvalent et fiable pour les centres de données modernes, idéal pour les applications à haute densité et dans les contextes où l’efficacité et la sécurité sont requises, à condition que la surface d’installation ne soit pas réduite.

5. Conclusion

Le choix du système de refroidissement optimal pour un centre de données est un processus complexe qui nécessite une évaluation minutieuse de multiples facteurs et l’intervention d’entreprises spécialisées : cela vaut pour le refroidissement du circuit primaire (air, eau directe, eau indirecte) et du circuit secondaire (tours d’évaporation, refroidisseurs adiabatiques, refroidisseurs à sec, refroidisseurs).

Comme dans tout autre domaine du refroidissement des processus et de la climatisation civile, il est essentiel, pour prendre une décision éclairée, de tenir compte de plusieurs aspects clés qui influencent l’efficacité et l’efficience du refroidissement.