Les waterblocks à microstructures – Page 1

Un processeur, comme tout appareil électrique ou électronique consommant du courant, va être soumis à l’effet Joule et donc chauffer, tout comme le filament d’une ampoule. Le passage du courant va entraîner l’apparition d’une puissance thermique, résultat des différentes pertes électriques qui se produisent dans le silicium, les interconnexions en cuivre et les transistors à cause de leur résistance électrique non nulle (technologie CMOS). En 1971, les premières puces « performantes » ne contenaient qu’un très petit nombre de transistors, environ 2300 cadencés à 108 KHz pour l’Intel 4004. En 2003, et pour les CPU de particuliers, on a multiplié ce nombre par 25000, pour approcher les 60 millions de transistors à 3 GHz avec le Pentium4 0.13 µm et d’ici environ 5 ans, on atteindra le milliard de transistors à 20 GHz d’après les estimations (optimistes ?). Du côté des CPU pour serveurs, la tendance est bien plus marquée avec l’Itanium2 qui plafonne déjà à 410 millions de transistors avec son cache de 6 MB. Intel atteindra le milliard de transistors avec le Montecito en 0.09 µm à double core d’exécution et gros cache d’ici 2 ans. Les prévisions à long terme sont encore plus hallucinantes avec l’entrée en matière de plusieurs milliards de transistors dans l’emploi d’énormes caches de 64 Mo en 0.035 µm combinés à 32 cores d’exécution d’ici 2009, pour une surface ne dépassant pas celle d’un ongle ! Les unités de calculs ne représentent qu’une faible partie du core, la majorité des transistors se trouvant dans les différents caches.

Toute cette course vers la miniaturisation entraîne de sévères contraintes de fonctionnement pour les CPU à venir, et notamment au niveau de la température de fonctionnement. En effet, pour travailler correctement, les CPU doivent impérativement avoir une température (de jonction) inférieure à une limite dépendante de la technologie employée. Dans notre cas, cette limite est de 85-90 °C. Au delà, les transistors ne peuvent plus assurer leur fonction car leur commutation est altérée, ce qui entraîne des dégradations des signaux et donc des plantages. Le problème vient du fait que l’on réduit la taille des transistors mais que le besoin en énergie pour les faire commuter ne descend pas aussi vite que la finesse de gravure. On se retrouve donc avec de plus en plus de choses à alimenter et une puissance électrique à fournir qui ne diminue pas beaucoup voire même qui augmente. On doit donc dissiper de plus en plus de puissance sur une surface qui ne varie pas énormément et qui a tendance à diminuer… La problématique qui se pose aujourd’hui est alors de savoir comment dissiper de si grosses densités de flux de chaleur dans un si petit espace ?

Les premières puces n’avaient pas besoin d’être refroidies puisque leurs puissances étaient très faibles. Quelques temps après, les radiateurs en aluminium et non ventilés apposés sur le core sont apparus pour faciliter la dissipation thermique dans l’air. La complexité des puces ne cessant de croître, il a fallu passer au radiateur en aluminium ventilé pour accroître leur efficacité. Le cuivre, meilleur conducteur thermique, a fait ensuite son apparition pour améliorer l’étalement de la puissance dans la base et la répartition de chaleur d’une manière globale. On continue dans les améliorations pour mieux rejeter la chaleur loin du core avec l’utilisation des caloducs ou heat-pipes (conduit la chaleur 10 à 1000 fois mieux que le cuivre) en la répartissant de manière encore plus homogène sur tout le radiateur. Dans le même temps, le volume des radiateurs n’a cessé de croître pour avoir toujours plus de surface en contact avec l’air qui le ventile, ce qui entraîne des problèmes d’encombrement comme décrit sur ce schéma ci-dessous :

Le watercooling classique (« gros » canaux type Dangerden/Swiftech/Becooling) apportera un certain répit dans cette chasse à la température en ayant une meilleure efficacité et compacité des échangeurs à poser sur le CPU. C’est la solution que beaucoup d’entre vous ont déjà adopté pour les multiples avantages qu’elle procure. Néanmoins, pour les futurs processeurs et/ou pour encore améliorer l’intégration dans des systèmes industriels de plus en plus denses, il faut passer au stade supérieur en se dirigeant notamment vers les microstructures qui auront des caractéristiques alléchantes.

Les premières manifestations de cette volonté se ressentent par l’apparition d’un nouveau genre de waterblocks adoptant le design des minicanaux par exemple. Les appareils dissipant de très fortes puissances sur de petites surfaces utilisent ce genre d’échangeurs pour maintenir une température de fonctionnement raisonnable et une fiabilité correcte sans qu’ils ne brûlent ou ne se déforment trop sous l’effet de la chaleur créée. On peut citer, par exemple, les dispositifs soumis à des rayonnements énergétiques tels que les radars, les accélérateurs particulaires ou bien encore dans le domaine de l’électronique pour les diodes laser à forte puissance, les transistors IGBT, les thyristors, etc. La raison de leur utilisation est simple : ces structures sont très performantes et compactes car le fait d’utiliser de l’eau, aux propriétés physiques intéressantes pour la convection, permet d’avoir des dimensions très nettement inférieures à celles utilisées dans le cas de l’air.

Sans rentrer trop dans les détails, on va montrer ce qui caractérise un échangeur microstructuré pour comprendre d’où provient son efficacité thermique à l’aide de nombreux exemples. On verra également quelques unes des techniques de fabrication spécifiques pour réaliser ce genre d’échangeurs, ainsi que les différentes utilisations qu’il est possible d’en faire avec les solutions déjà existantes qui nous sont destinés. Les possibilités d’alimentation en débit et le cas particulier du diphasique seront également passés en revue.