Au cœur des centres de données (les data centers), la dissipation de la chaleur produite par les processeurs doit être efficace pour garantir le bon fonctionnement des systèmes, mais cela a un coût énergétique conséquent. En France, pour chaque mégawatt utilisé par les calculs, on dépense en moyenne 0,7 mégawatt supplémentaire pour refroidir les machines selon l’Ademe (l’agence de la transition écologique). Or, avec la croissance du secteur de l’intelligence artificielle, le besoin de réduire la consommation énergétique se fait de plus en plus pressant. Les vieux systèmes de refroidissement à air laissent peu à peu leur place à la réfrigération liquide dans les centres de données, une méthode bien plus efficace énergétiquement, mais plus difficile à mettre en œuvre. Behnood Bazmi, de l’université de l’Illinois à Urbana-Champaign, aux États-Unis, et ses collègues ont réussi à produire par impression 3D des plaques froides en cuivre ultraperformantes pour le refroidissement liquide. Industrialisées, elles réduiraient de façon importante les dépenses d’énergie liées à la climatisation d’un data center.
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Une plaque froide est une petite pièce en contact direct avec les composants électroniques. Son rôle est de collecter la chaleur des puces et de la dissiper dans un fluide qui conduit la chaleur mais pas l’électricité. Pour être efficace, une plaque froide doit avoir la plus grande surface de contact possible avec le fluide. Usuellement, celle-ci est donc couverte de petites ailettes parallèles entre lesquelles le fluide circule. Mais ces ailettes sont comme des obstacles qui entravent l’écoulement de ce dernier. Il est alors nécessaire d’utiliser un système de pompage pour aider à la circulation, ce qui demande de l’énergie. Il faut donc trouver le meilleur compromis entre une grande surface d’échange et une obstruction minimale pour le passage du fluide.
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Les chercheurs ont d’abord cherché à optimiser la forme de ces ailettes. Partant d’un design simple, ils ont simulé les performances de petites modifications successives, jusqu’à obtenir une forme idéale. La solution offre une plus grande surface de contact grâce à de nouveaux interstices où le liquide peut s’engouffrer. Quand on la regarde de profil, la forme de l’ailette évoque celle d’un sapin : large à la base, fine à l’extrémité et hérissée de branches. Ce design évacue jusqu’à 32 % plus de chaleur que celui dont les chercheurs étaient partis et, en guidant l’écoulement plus directement, il réduit de deux tiers l’énergie nécessaire pour faire circuler le fluide.
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Cette méthode d’optimisation était déjà connue sous le nom d’« optimisation topologique ». Mais entre imaginer un design optimal et le produire industriellement, il y a un monde. Car l’ailette développée par les chercheurs mesure un millimètre et demi de haut pour un demi-millimètre de large et les détails de sa forme sont à des échelles plus petites encore. Les méthodes d’impression 3D traditionnelles utilisent des dépôts de métaux fondus. Les hautes températures rendent très difficile à cette échelle la fabrication de structures en cuivre pur, l’un des matériaux qui offre la plus grande conductivité thermique.
L’équipe a donc opté pour une méthode d’impression 3D émergente : la fabrication additive électrochimique (ECAM). À partir d’une solution liquide riche en ions cuivre et de champs électriques très précis, les chercheurs sont capables de créer des dépôts de cuivre solide avec une résolution de l’ordre d’une dizaine de micromètres, et le tout à basse température. La forme de l’ailette ainsi produite est très proche de celle conceptualisée en simulation. L’ECAM offre donc un procédé industriel pour produire des plaques froides en cuivre pur avec des ailettes optimisées.
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D’après les calculs des chercheurs, un centre de données équipé de ces plaques froides ne dépenserait que 1,1 % de son énergie pour le refroidissement. Presque rien. Mais la voracité énergétique de l’intelligence artificielle ne se résume pas au refroidissement (elle est largement dominée par les opérations de calcul). Selon l’Agence internationale de l’énergie, la consommation électrique des data centers à l’échelle mondiale va doubler entre 2025 et 2030, atteignant près de 1 000 térawattheures annuels, soit plus de deux fois la consommation totale d’électricité en France. Et rien ne dit si cette tendance ralentira dans les décennies à venir, alors que la crise climatique invite plutôt aux économies d’énergie. « La solution ne passera pas par plus d’efficacité énergétique, estime Jean-Marc Pierson, de l’université de Toulouse, mais plutôt par une utilisation moindre du numérique, en particulier de l’IA, en raisonnant voire abandonnant ses usages. »
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