Refroidissement liquide directement sur puce : l'avenir de la gestion thermique des centres de données haute densité

Les densités de puissance des centres de données sont passées de 4 kW par rack à 12-30 kW et au-delà, sous l'effet des charges de travail d'IA qui nécessitent 10 fois plus d'électricité que les recherches traditionnelles. Le refroidissement par air traditionnel ne peut plus supporter ces charges thermiques, ce qui rend le refroidissement par liquide non seulement préférable, maisessentielpour les clusters GPU et CPU modernes.​

Pourquoi le refroidissement liquide domine

Les liquides de refroidissement transportent plus de 1 000 fois plus de chaleur que l'air tout en réduisant la consommation d'énergie, la consommation d'eau, le bruit et les coûts d'exploitation. Deux architectures principales ont émergé : les systèmes directs sur puce monophasés et biphasés, chacun avec des considérations d'ingénierie distinctes.​

Systèmes monophasés

Single-phase systems circulate water-glycol mixtures or deionized water through cold plates mounted directly on processors. The coolant absorbs sensible heat without changing phase, requiring cooling distribution units (CDUs) and facility water loops with chillers and cooling towers.​

Principales caractéristiques :

• La température du liquide de refroidissement augmente à mesure qu'il absorbe la chaleur
• Nécessite des débits volumétriques plus importants
• Infrastructure et maintenance bien comprises
• Expérience avérée dans les déploiements hyperscale

Systèmes biphasés

Les systèmes biphasés exploitent la chaleur latente lors du changement de phase du réfrigérant, maintenant ainsi des températures uniformes des copeaux grâce à une ébullition contrôlée. Le réfrigérant liquide s'écoule vers des plaques froides où il s'évapore, puis retourne vers un condenseur sous forme de vapeur.​

Avantages :

• Uniformité thermique supérieure sur les surfaces des copeaux
• Poids du système réduit et plomberie simplifiée
• Minimal water consumption (near-zero in many climates)
• Meilleur rapport performance thermique/coût
• Puissance de pompage réduite grâce à un transfert de chaleur efficace

Sélection de réfrigérant : compromis techniques

Le choix d'un réfrigérant pour les systèmes biphasés implique un équilibragesécurité,impact environnemental, etconception du systèmeexigences.​

Classement de sécurité

Réfrigérants A1 (non-flammable) avoid restrictions imposed on A2L (mildly flammable) options, simplifying compliance and reducing training requirements. R-1233zd(E) and R-1336mzz(Z) achieve A1 classification with GWP values of 1-2, representing 97-99% reductions versus older refrigerants.​

Pressions de conception du système

Les pressions de fonctionnement ont un impact direct sur les coûts et la fiabilité des composants :​

Réfrigérant	Pression de conception	Notes d'application
R-513A, R-1234yf	325-350 livres par pouce carré	Similaire aux systèmes R-134a
R-1234ze(E), R-515B	250-275 livres par pouce carré	Réduction modérée de la pression
R-1233zd(E), R-1336mzz(Z)	70-80 livres par pouce carré	Très basse pression, grands volumes de vapeur

Considérations relatives au débit volumétrique

Low-pressure refrigerants enable smaller liquid-side components but require 3-6× larger vapor return piping compared to R-134a-like options. At 70°F, R-1336mzz(Z) needs 9.86 ft³/min vapor flow per ton versus 1.43 ft³/min for R-134a.​

Implication de conception :Les économies réalisées grâce aux pressions nominales inférieures doivent être mises en balance avec des collecteurs de retour plus grands et une sensibilité accrue aux chutes de pression.​

Paysage réglementaire

La réglementation PFAS affectera les systèmes de refroidissement à deux phases, nécessitant une stratégie proactive en matière de réfrigérants et une certification potentielle des opérateurs. Les ingénieurs doivent surveiller les mises à jour de la norme ANSI/ASHRAE 34 et les approbations EPA SNAP lors de la spécification des systèmes.​

Conception de tuyaux, de tubes et de connexions

Les connexions flexibles entre les composants sont confrontées à des exigences exigeantes dans les systèmes biphasés.​

Critères de sélection des matériaux

Perméabilité:Les réfrigérants en phase vapeur peuvent migrer à travers les parois des tuyaux ; les couches barrières minimisent les pertes mais réduisent la flexibilité.​

Note de pression:Des facteurs de conception de 3:1 à 4:1 garantissent que la pression d'éclatement dépasse la pression de service maximale.​

Compatibilité des fluides :Les matériaux doivent résister à l’extraction et à la dégradation ; le polychloroprène, le NBR, le HNBR, le PTFE, le polyamide et le PPS ont prouvé leur compatibilité avec le R-513A, le R-515B et leurs constituants.​

Dimensions:Le diamètre intérieur affecte la chute de pression et le transfert de chaleur ; le diamètre extérieur détermine l'espace occupé dans les racks de serveurs denses.​

Caoutchouc vs thermoplastique

Tuyau en caoutchouc (EPDM, nitrile, polychloroprene) offers superior flexibility, tight bend radius, and simple barb connections with low assembly force.​

Thermoplastique options (polyamide, PTFE, PFA) provide better chemical resistance, lower permeation, and thinner walls but may require O-ring seals and higher assembly forces.​

Raccords à déconnexion rapide

Les couplages secs QD permettent le remplacement à chaud des serveurs sans arrêt du système. Les mesures de performances critiques incluent :​

• Faible chute de pression aux débits requis
• Perte de fluide et inclusion d'air minimales lors de la connexion
• Longueur compacte pour une flexibilité de rack
• Capacité de vide poussé
• Fonctionnement sans outil

Impact sur la durabilité

Les centres de données traditionnels consomment des milliards de litres d’eau chaque année, avec une croissance prévue à deux chiffres. Les systèmes biphasés éliminent la majeure partie de la consommation d’eau, offrant ainsi une voie claire vers une infrastructure de refroidissement durable.​

Conseils de mise en œuvre

Lors de la spécification d'un refroidissement direct sur puce :

1. Adaptez l'architecture de refroidissement à la densité des racks :Le refroidissement par air reste viable en dessous de 12 kW/rack ; monophasé pour 12-30 kW ; biphasé pour densités extrêmes​
2. Privilégier les réfrigérants classés A1pour simplifier la conformité et les exigences opérationnelles​
3. Équilibrer la pression du système par rapport à la taille des composants– les réfrigérants à très basse pression réduisent certains coûts mais augmentent la complexité des conduites de vapeur​
4. Évaluer la compatibilité des matériauxsur toute la boucle fluidique, y compris les joints et les garnitures​
5. Conception pour la facilité d'entretienavec raccords rapides et collecteurs accessibles