La gestion thermique des centres de données se divise en deux grandes catégories selon le fluide de refroidissement : le refroidissement liquide et le refroidissement par air. Bien que le refroidissement liquide ait gagné en popularité ces dernières années, le refroidissement par air reste la méthode traditionnelle et la plus répandue, car il offre plusieurs avantages :

Facilité d'utilisation : Les solutions de refroidissement par air sont relativement simples à installer et à utiliser. Elles reposent généralement sur l'utilisation de ventilateurs ou de dissipateurs thermiques pour évacuer la chaleur des composants, ce qui les rend facilement accessibles et utilisables. La simplicité et la familiarité des systèmes de refroidissement par air les rendent pratiques pour les opérateurs de centres de données.

- Succès avéré : Le refroidissement par air a fait ses preuves depuis longtemps dans la gestion thermique des centres de données. De nombreux utilisateurs finaux de centres de données ont investi des ressources considérables dans la construction et l’optimisation d’infrastructures refroidies par air.

Fonctionnement sans liquide : contrairement aux solutions utilisant des fluides frigorigènes et la circulation de liquide, le refroidissement par air élimine le besoin de composants et d’infrastructures liés aux liquides. Ceci supprime les risques de fuites, de pannes de pompes ou d’évaporation de fluide frigorigène. L’absence de liquide dans les systèmes de refroidissement par air simplifie la maintenance et réduit la probabilité de dysfonctionnements ou d’interruptions de service.

Cependant, malgré ses avantages, le refroidissement par air, de par sa faible capacité thermique massique, limite son efficacité pour répondre aux besoins croissants en refroidissement des centres de données modernes. Pour pallier ce problème, le refroidissement liquide s'est imposé comme une solution viable. Ce dernier tire parti de la capacité thermique massique plus élevée des liquides, ce qui le rend plus efficace pour dissiper la chaleur. Il existe deux méthodes courantes de refroidissement liquide : le refroidissement direct sur puce (par plaque froide) et le refroidissement par immersion.

Le refroidissement par plaque froide consiste à fixer une plaque froide directement sur les sources de chaleur, telles que le processeur et la carte graphique, avec une couche de matériau d'interface thermique (TIM) entre elles. Le fluide caloporteur contenu dans la chambre de la plaque froide absorbe et évacue la chaleur des composants.

En revanche, le refroidissement par immersion consiste à plonger les sources de chaleur dans un liquide de refroidissement, permettant un contact direct et une dissipation efficace de la chaleur.

La collaboration entre les fournisseurs de serveurs et les fabricants de plaques froides a accéléré l'adoption du refroidissement par plaques froides. Des solutions intégrées (serveurs avec plaques froides préinstallées) sont désormais proposées directement aux utilisateurs finaux. Bien que le refroidissement direct sur la puce ait démontré d'excellentes performances, le manque d'expérience des utilisateurs finaux en matière d'intégration de plaques froides dans leurs serveurs standard a longtemps freiné son adoption. À titre d'exemple, citons le partenariat entre CoolIT Systems et Intel pour le développement de solutions de refroidissement direct sur puce spécifiquement conçues pour les processeurs Intel Xeon Scalable. Grâce à ces collaborations et aux solutions intégrées, les utilisateurs finaux bénéficient du refroidissement par plaques froides, notamment d'une efficacité accrue et d'une réduction du pPUE (Population Power Usage Effectiveness), sans les contraintes d'intégration.

Une autre technologie de refroidissement liquide émergente est le refroidissement par immersion, qui offre d'excellentes performances de dissipation thermique avec des pPUE pouvant atteindre 1,01. Cependant, plusieurs problèmes ont limité son adoption à grande échelle :
Complexité : Le refroidissement par immersion nécessite des modifications importantes des cartes mères de serveurs existantes. Les serveurs étant immergés directement dans le liquide de refroidissement, des facteurs tels que la compatibilité des matériaux entre les serveurs et le liquide doivent être pris en compte, ce qui complexifie le processus et augmente les coûts.

Manque d'expérience : Le refroidissement par immersion est encore à ses débuts et le marché manque de connaissances et d'expérience en matière de mise en œuvre et de gestion de cette technologie.
Coûts initiaux et de maintenance élevés : Adapter les centres de données existants refroidis par air au refroidissement par immersion peut s'avérer coûteux. Le refroidissement par immersion présente également les dépenses d'investissement initiales (CAPEX) les plus élevées en termes de coût par watt. De plus, les coûts de maintenance et d'exploitation peuvent être supérieurs à ceux des autres méthodes de refroidissement. Cependant, grâce à une dissipation thermique efficace, les économies d'énergie à long terme rendent le refroidissement par immersion rentable pour les utilisateurs de centres de données.
Demande limitée : Bien que les besoins en énergie des centres de données soient en augmentation, IDTechEx estime qu'une combinaison de refroidissement par air et de refroidissement direct sur puce peut répondre adéquatement aux besoins de refroidissement à court et moyen terme des principales applications. Le refroidissement par immersion ne présente actuellement aucun besoin urgent sur le marché.

Efficacité énergétique partielle (pPUE) des solutions de refroidissement des centres de données. Source : IDTechEx

En conclusion, la demande croissante de capacités de refroidissement stimule la croissance rapide du refroidissement liquide, notamment sous la forme de refroidissement direct des puces/plaques froides. Cette croissance offre de nombreuses opportunités aux fabricants de serveurs, aux exploitants de centres de données, aux fournisseurs de fluides frigorigènes et aux fournisseurs d'unités de distribution de fluide frigorigène (CDU) et de pompes. Par ailleurs, le refroidissement par immersion devrait être initialement adopté par des acteurs majeurs tels que Microsoft et Meta. Cependant, son adoption à grande échelle pourrait prendre du temps en raison de facteurs tels que les coûts élevés, l'expertise technique limitée et les exigences de maintenance. La collaboration entre les entreprises de la chaîne d'approvisionnement du refroidissement par immersion pour centres de données sera cruciale pour son déploiement à plus grande échelle. Néanmoins, le refroidissement par immersion offre des opportunités importantes à diverses entreprises, y compris les fournisseurs de fluides frigorigènes. Pour plus d'informations, veuillez consulter le dernier rapport d'IDTechEx intitulé « Gestion thermique des centres de données 2023-2033 ».

Auteur : Yulin Wang, analyste technologique chez IDTechEx