Presque chaque élément électronique moderne génère de la chaleur, que nous le remarquions ou non. Sans gérer correctement cette chaleur, nos systèmes électroniques se détruiraient ou inversement, nous limiterions sévèrement nos capacités informatiques.

Le lecteur moyen pensera, bien sûr, au refroidissement du CPU et du GPU, mais pourquoi la RAM n'a-t-elle pas besoin de ventilateurs pour le garder au frais? Pourquoi y a-t-il une si grande disparité entre les performances d'un processeur mobile et d'un processeur de bureau, même si les matrices sont assez similaires en taille? Pourquoi les gains de performances récents des nouvelles générations de puces ont-ils commencé à ralentir?

La réponse à toutes ces questions est liée à la chaleur et à la physique du fonctionnement des ordinateurs numériques à l'échelle nanométrique. Cet article abordera la science fondamentale de la chaleur, comment et pourquoi elle est générée en électronique, et les différentes méthodes que nous avons développées pour la contrôler.

Il fait chaud ici: les bases de la chaleur

Si vous vous souvenez de la physique au lycée, la chaleur n'est que les mouvements aléatoires des atomes et des molécules qui composent notre monde. Si une molécule a une énergie cinétique plus élevée qu'une autre molécule, nous disons qu'elle est plus chaude. Cette chaleur peut être transférée d'un objet à un autre s'ils entrent en contact jusqu'à ce que les deux atteignent l'équilibre. Cela signifie que l'objet le plus chaud transférera une partie de sa chaleur à l'objet le plus froid, le résultat final étant une température entre les deux.

Le temps nécessaire pour transférer cette chaleur dépend de la conductivité thermique des deux matériaux. La conductivité thermique est la mesure de la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. Un isolant comme la mousse de polystyrène a une conductivité thermique relativement faible de 0,03 tandis qu'un conducteur comme le cuivre a une conductivité thermique élevée de 400. Aux deux extrêmes, un vrai vide a une conductivité thermique de 0 et le diamant a la conductivité thermique connue la plus élevée de plus de 2000 .

Une chose à retenir est que la chaleur va toujours au froid, mais il n'y a pas de «froid». Nous considérons les choses comme «froides» si elles ont moins de chaleur que leur environnement. Une autre définition importante dont nous aurons besoin est la masse thermique qui représente l'inertie d'un objet contre les fluctuations de température. Avec un four de même taille, il est beaucoup plus facile de chauffer une seule pièce d'une maison que de chauffer toute la maison. En effet, la masse thermique d'une pièce est bien inférieure à la masse thermique d'une maison entière.

Nous pouvons rassembler tous ces concepts dans l'exemple simple de l'eau bouillante. Lorsque vous allumez le poêle, la flamme chaude entrera en contact avec la casserole plus froide. Étant donné que le matériau constituant le pot est un bon conducteur thermique, la chaleur du feu sera transférée dans l'eau jusqu'à ébullition.

Le temps nécessaire à l'ébullition dépendra de la méthode de chauffage, du matériau de la marmite et de la quantité d'eau. Si vous essayez de faire bouillir une casserole d'eau avec un petit briquet, cela prendrait une éternité par rapport au grand feu d'un poêle. En effet, le poêle a une puissance thermique beaucoup plus élevée, mesurée en watts, que le petit briquet. Ensuite, votre eau bouillira plus rapidement si le pot a une conductivité thermique plus élevée car une plus grande partie de la chaleur sera transférée à l'eau. Si vous étiez assez riche, un pot de diamant serait le Saint Graal. Enfin, nous savons tous qu'un petit pot d'eau bouillira plus rapidement qu'un pot d'eau beaucoup plus grand. En effet, avec le petit pot, il y a moins de masse thermique à chauffer.

Une fois la cuisson terminée, vous pouvez laisser l'eau refroidir naturellement. Lorsque cela se produit, la chaleur de l'eau est déversée dans la chambre froide. Puisque la pièce a une masse thermique beaucoup plus élevée que le pot, la température ne changera pas beaucoup.

L'arbre amigos de chaleur dans l'électronique numérique

Maintenant que nous savons comment la chaleur fonctionne et se déplace entre les objets, parlons d'abord d'où elle vient. Toute l'électronique numérique est composée de millions et de milliards de transistors. Pour un aperçu plus détaillé de leur fonctionnement, consultez la partie 3 de notre étude sur la conception de processeurs modernes.

Essentiellement, les transistors sont des commutateurs à commande électrique qui se mettent sous et hors tension des milliards de fois par seconde. Nous pouvons en connecter un tas pour former les structures d'une puce informatique.

Lorsque ces transistors fonctionnent, ils dissipent de l'énergie de trois sources appelées commutation, court-circuit et fuite. La commutation et la puissance de court-circuit sont toutes deux appelées sources dynamiques de chaleur car elles sont affectées par les transistors qui se mettent sous et hors tension. La puissance de fuite est dite statique car elle est constante et n'est pas affectée par le fonctionnement du transistor.

Deux transistors connectés ensemble pour former une porte NON. Le nMOS (en bas) permet au courant de circuler lorsqu'il est activé et le pMOS (en haut) permet au courant de circuler lorsqu'il est éteint.

Commençons par changer de puissance. Pour activer ou désactiver un transistor, nous devons mettre sa grille à la masse (logique 0) ou Vdd (logique 1). Ce n'est pas aussi simple que de simplement basculer un commutateur, car cette porte d'entrée a une très petite capacité. Nous pouvons penser à cela comme une minuscule batterie rechargeable. Pour activer le portail, nous devons charger la batterie au-delà d'un certain seuil. Une fois que nous sommes prêts à fermer à nouveau le portail, nous devons jeter cette charge au sol. Bien que ces portes soient microscopiques, il y en a des milliards dans les puces modernes et elles commutent des milliards de fois par seconde.

Un petit peu de chaleur est générée chaque fois que la charge de la porte est déversée dans le sol. Pour trouver la puissance de commutation, nous multiplions le facteur d'activité (la proportion moyenne de transistors commutant à un cycle donné), la fréquence, la capacité de grille et la tension au carré ensemble.

Voyons maintenant la puissance des courts-circuits. L'électronique numérique moderne utilise une technique appelée CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductors). Les transistors sont disposés de manière à ce qu'il n'y ait jamais de chemin direct pour que le courant circule vers la terre. Dans l'exemple ci-dessus d'une porte NON, il y a deux transistors complémentaires. Chaque fois que celui du haut est allumé, celui du bas est éteint et vice-versa. Cela garantit que la sortie est à 0 ou 1 et est l'inverse de l'entrée. Cependant, lorsque nous activons et désactivons des transistors, il y a très peu de temps lorsque les deux transistors sont conducteurs en même temps. Lorsqu'un ensemble s'éteint et qu'un autre s'allume, ils conduisent tous les deux lorsqu'ils atteignent le point médian. Ceci est inévitable et fournit un chemin temporaire pour que le courant passe directement à la terre. Nous pouvons essayer de limiter cela en accélérant les transistors entre les états On et Off, mais nous ne pouvons pas l'éliminer complètement.

À mesure que la fréquence de fonctionnement d'une puce augmente, il y a plus de changements d'état et plus de courts-circuits instantanés. Cela augmente la production de chaleur d'une puce. Pour trouver la puissance de court-circuit, nous multiplions le courant de court-circuit, la tension de fonctionnement et la fréquence de commutation ensemble.

Ces deux éléments sont des exemples de puissance dynamique. Si nous voulons le réduire, le moyen le plus simple est de simplement diminuer la fréquence de la puce. Ce n'est souvent pas pratique car cela ralentirait les performances de la puce. Une autre option consiste à diminuer la tension de fonctionnement de la puce. Les puces fonctionnaient à 5V et au-dessus tandis que les processeurs modernes fonctionnent autour de 1V. En concevant les transistors pour fonctionner à une tension inférieure, nous pouvons réduire la chaleur perdue grâce à la puissance dynamique. La puissance dynamique est également la raison pour laquelle votre CPU et votre GPU chauffent lorsque vous overclockez. Vous augmentez également la fréquence de fonctionnement et souvent la tension. Plus ils montent, plus de chaleur est générée à chaque cycle.

Le dernier type de chaleur généré dans l'électronique numérique est la puissance de fuite. Nous aimons penser aux transistors comme étant complètement fermés ou fermés, mais ce n'est pas ainsi qu'ils fonctionnent en réalité. Il y aura toujours une petite quantité de courant qui circule, même lorsque le transistor est à l'état non conducteur. C'est une formule très compliquée et l'effet ne fait qu'empirer à mesure que nous continuons à rétrécir les transistors.

Quand ils deviennent plus petits, il y a de moins en moins de matière pour bloquer le flux d'électrons lorsque nous voulons qu'ils soient éteints. C'est l'un des principaux facteurs limitant les performances des nouvelles générations de puces, car la proportion de puissance de fuite continue d'augmenter à chaque génération. Les lois de la physique nous ont mis dans un coin et nous avons utilisé toutes nos cartes de sortie de prison.

Prenez une pilule froide: comment garder les chips au frais

Nous savons donc d'où vient la chaleur dans l'électronique, mais que pouvons-nous en faire? Nous devons nous en débarrasser car si les choses deviennent trop chaudes, les transistors peuvent commencer à tomber en panne et à s'endommager. L'étranglement thermique est la méthode intégrée de refroidissement d'une puce si nous ne fournissons pas nous-mêmes un refroidissement adéquat. Si les capteurs de température internes pensent qu'il devient un peu trop grillé, la puce peut automatiquement réduire sa fréquence de fonctionnement pour réduire la quantité de chaleur générée. Ce n'est pas quelque chose que vous voulez, cependant, et il existe de bien meilleures façons de gérer la chaleur indésirable dans un système informatique.

Certaines puces n'ont pas besoin de solutions de refroidissement sophistiquées. Jetez un œil autour de votre carte mère et vous verrez des dizaines de petites puces sans dissipateurs thermiques. Comment ne surchauffent-ils pas et ne se détruisent-ils pas? La raison en est qu'ils ne génèrent probablement pas beaucoup de chaleur en premier lieu. Les gros CPU et GPU costauds peuvent dissiper des centaines de watts de puissance tandis qu'un petit réseau ou une puce audio ne peut utiliser qu'une fraction de Watt. Si tel est le cas, la carte mère elle-même ou l'emballage extérieur de la puce peut être suffisamment dissipateur pour garder la puce au frais. Cependant, en général, une fois que vous avez dépassé 1 Watt, vous devez penser à une bonne gestion thermique.

Le nom du jeu ici est de maintenir la résistance thermique entre les matériaux aussi faible que possible. Nous voulons construire le chemin le plus court pour que la chaleur d'une puce atteigne l'air ambiant. C'est pourquoi les matrices CPU et GPU sont équipées de dissipateurs de chaleur intégrés (IHS) sur le dessus. La puce réelle à l'intérieur est beaucoup plus petite que la taille de l'emballage, mais en répartissant la chaleur sur une plus grande surface, nous pouvons la refroidir plus efficacement. Il est également important d'utiliser un bon composé thermique entre la puce et le refroidisseur. Sans ce chemin de conductivité thermique élevé, la chaleur ne pourrait pas circuler facilement de l'IHS vers le dissipateur thermique.

Il existe deux principales formes de refroidissement: passif et actif. Le refroidissement passif n'est qu'un simple dissipateur thermique attaché à la puce qui est refroidi avec le flux d'air ambiant. Le matériau sera quelque chose avec une conductivité thermique élevée et une surface élevée. Cela lui permet de transférer la chaleur de la puce à l'air ambiant.

Les régulateurs de tension et les puces de mémoire peuvent généralement se passer d'un refroidissement passif car ils ne génèrent pas beaucoup de chaleur. Les processeurs de téléphonie mobile sont généralement refroidis passivement car ils sont conçus pour être de très faible puissance. Plus les performances d'une puce sont élevées, plus elle générera de puissance et plus il faudra de dissipateur thermique. C'est pourquoi les processeurs téléphoniques sont moins puissants que les processeurs de bureau. Il n'y a tout simplement pas assez de refroidissement pour suivre.

Image thermique d'un processeur de téléphone mobile avec plaque de refroidissement passive

Une fois que vous aurez atteint les dizaines de watts, vous commencerez probablement à penser au refroidissement actif. Cela utilise un ventilateur ou une autre méthode pour forcer l'air à travers un dissipateur thermique et peut gérer jusqu'à quelques centaines de watts. Afin de profiter de ce refroidissement, nous devons nous assurer que la chaleur est diffusée de la puce à toute la surface du refroidisseur. Ce ne serait pas très utile si nous avions un énorme dissipateur thermique, mais aucun moyen d'y chauffer.

C'est là que le refroidissement liquide et les caloducs entrent en jeu. Ils remplissent tous les deux la même tâche de transférer autant de chaleur que possible d'une puce à un radiateur ou un radiateur. Dans une configuration de refroidissement liquide, la chaleur est transférée de la puce à un bloc d'eau à travers un composé thermique à haute conductivité thermique. Le waterblock est souvent du cuivre ou un autre matériau qui conduit bien la chaleur. Le liquide devient plus chaud et stocke la chaleur jusqu'à ce qu'elle atteigne le radiateur où elle peut être dissipée. Pour les petits systèmes comme les ordinateurs portables qui ne peuvent pas s'adapter à une configuration de refroidissement liquide complète, les caloducs sont très courants. Par rapport à un tube de cuivre de base, une configuration de caloduc peut être 10 à 100 fois plus efficace pour transférer la chaleur loin d'une puce.

Un caloduc est très similaire au refroidissement liquide, mais il utilise également une transition de phase pour augmenter le transfert thermique. À l'intérieur des caloducs, il y a un liquide qui se transforme en vapeur lorsqu'il est chauffé. La vapeur se déplace le long du caloduc jusqu'à ce qu'elle atteigne l'extrémité froide et se condense de nouveau en liquide. Le liquide retourne à l'extrémité chaude par gravité ou par capillarité. Ce refroidissement par évaporation est la même raison pour laquelle vous avez froid lorsque vous sortez de la douche ou de la piscine. Dans tous ces scénarios, le liquide absorbe la chaleur en se transformant en vapeur, puis libère la chaleur une fois qu'il se condense.

Démonstration de caloducs – Zootalures: Wikipedia

Maintenant que nous pouvons évacuer la chaleur de la puce vers un caloduc ou un liquide, comment déverser cette chaleur dans l'air? C'est là que les ailettes et les radiateurs entrent en jeu. Un tube d'eau ou un caloduc transfère une partie de sa chaleur dans l'air ambiant, mais pas beaucoup. Pour vraiment refroidir les choses, nous devons augmenter la surface du gradient de température.

Les fines ailettes d'un radiateur ou d'un radiateur répartissent la chaleur sur une grande surface, ce qui permet à un ventilateur de l'emporter efficacement. Plus les nageoires sont minces, plus la surface peut s'adapter à une taille donnée. Cependant, s'ils sont trop minces, le contact avec le caloduc ne sera pas suffisant pour que la chaleur pénètre dans les ailettes en premier lieu. C'est un équilibre très fin, c'est pourquoi dans certains scénarios, un refroidisseur plus grand peut fonctionner moins bien qu'un refroidisseur plus petit et plus optimisé. Steve chez Gamers Nexus a élaboré un excellent diagramme de la façon dont tout cela fonctionne dans un dissipateur thermique typique.

Fonctionnement du dissipateur thermique – Gamers Nexus

Mais je veux devenir plus froid: aller sous la température ambiante!

Toutes les méthodes de refroidissement dont nous avons parlé fonctionnent par simple transfert de chaleur d'une puce chaude vers l'air ambiant. Cela signifie que la puce ne peut jamais devenir plus froide que la température ambiante de la pièce dans laquelle elle se trouve. Si nous voulons refroidir à des températures inférieures à la température ambiante ou avoir quelque chose d'énorme comme un datacenter entier à refroidir, nous devons ajouter un peu plus de science. C'est là qu'interviennent les refroidisseurs et les refroidisseurs thermoélectriques.

Le refroidissement thermoélectrique, également connu sous le nom de dispositif Peltier, n'est actuellement pas très populaire, mais pourrait être très utile. Ces appareils transfèrent la chaleur d'un côté d'une plaque de refroidissement à l'autre avec la consommation d'électricité. Ils utilisent un matériau thermoélectrique spécial qui peut créer une différence de température via un potentiel électrique. Lorsqu'un courant continu traverse un côté de l'appareil, la chaleur est transférée de l'autre côté. Cela permet au côté "froid" de descendre en dessous de la température ambiante. Actuellement, ces appareils sont très spécialisés car ils nécessitent beaucoup d'énergie pour obtenir un refroidissement important. Cependant, les chercheurs travaillent à créer des versions plus efficaces pour les marchés plus importants.

Tout comme les transitions d'état transfèrent la chaleur, la modification de la pression d'un fluide peut également être utilisée pour transférer la chaleur. C'est ainsi que fonctionnent les réfrigérateurs, les climatiseurs et la plupart des autres systèmes de refroidissement.

Un réfrigérant spécial s'écoule à travers une boucle fermée dans laquelle il démarre sous forme de vapeur, est comprimé, condensé en liquide, détendu et évaporé en vapeur. Ce cycle se répète et transfère la chaleur dans le processus. Le compresseur nécessite de l'énergie, mais un tel système peut refroidir à des températures inférieures à la température ambiante. C'est ainsi que les centres de données et les bâtiments peuvent rester frais même le jour le plus chaud de l'été.

Cycle de réfrigération standard – Keenan Pepper: Wikipedia

Des systèmes comme ceux-ci sont généralement de second ordre en ce qui concerne l'électronique. Vous allez d'abord vider la chaleur de la puce dans la pièce, puis vider la chaleur de la pièce vers l'extérieur via un système de compression de vapeur. Cependant, les overclockers extrêmes et les amateurs de performances peuvent connecter des refroidisseurs dédiés à leurs processeurs s'ils ont besoin de performances de refroidissement supplémentaires. Des méthodes temporaires de refroidissement extrême sont également possibles via des consommables comme l'azote liquide ou la glace carbonique.

J'ai froid: terminons

Le refroidissement est quelque chose dont toute l'électronique a besoin, mais peut prendre plusieurs formes. Le but du jeu est de déplacer la chaleur de la puce ou du système chaud vers un environnement plus frais. Il n'y a aucun moyen de se débarrasser de la chaleur, alors tout ce que nous pouvons faire est de le déplacer quelque part pour que ce ne soit pas un problème.

Toute l'électronique numérique génère de la chaleur en raison de la nature du fonctionnement de leurs transistors internes. Si nous ne nous débarrassons pas de cette chaleur, le matériau semi-conducteur commence à se décomposer et la puce peut être endommagée. La chaleur est l'ennemi de tous les concepteurs d'électronique et est l'un des principaux facteurs limitant la croissance des performances. Nous ne pouvons pas rendre les processeurs et les GPU beaucoup plus gros, car il n'y a pas de bon moyen de refroidir quelque chose d'aussi puissant. Vous ne pouvez tout simplement pas évacuer la chaleur.

J'espère que vous apprécierez désormais plus toute la science qui permet de garder votre électronique au frais.