L’été approche et avec lui, ses potentiels chaleurs caniculaires. La question du refroidissement de votre machine va donc forcément revenir sur le tapis. Voici donc quelques clés techniques qui vous permettront de savoir si vous êtes bien armé pour cette épreuve.
Quasiment toute l’énergie électrique consommée par nos ordinateurs est convertie en chaleur. Pour éviter que les composants surchauffent, il faut donc évacuer toute cette chaleur, grâce à diverses techniques et phénomènes physiques, dont le choix dépend principalement de la quantité d’énergie à évacuer et de la surface disponible pour ce faire.
La convection naturelle
Le refroidissement par convection naturelle est le mode de refroidissement le plus basique, puisque c’est en fait celui qui consiste tout simplement… à ne rien faire. Tout composant chaud (source chaude) au contact d’air plus frais (source froide) échange de la chaleur avec lui, en quantité proportionnelle à la surface de contact, à l’écart de température (delta) entre l’air et la surface et à un facteur dépendant du matériau utilisée (une surface en plastique échangera moins de chaleur qu’une surface en aluminium par exemple). L’air réchauffé à la surface du composant devient alors plus léger que l’air frais ambiant, ce qui engendre des mouvements de convection, l’air chaud cédant sa place à de l’air plus frais (si la surface chaude n’est pas située au-dessus de l’air, auquel cas l’air chaud va s’accumuler sur la surface), entretenant ainsi l’efficacité du refroidissement, qui diminuerait rapidement sans la convection, du fait de la baisse du delta de température.
Avec la hausse de la consommation des puces, il est devenu nécessaire d’aider un peu cette convection naturelle, ce qui se fait principalement par deux moyens : les radiateurs et la convection forcée, les deux pouvant être combinés.
Le radiateur
Le rôle du radiateur est tout simple : il sert d’intermédiaire entre la source chaude et la source froide, pour accélérer les échanges thermiques entre les deux. Pour ce faire, il est mis en contact direct avec la source chaude (éventuellement avec de la pâte thermique pour éviter les « bulles » d’air si les deux surfaces ne sont pas parfaitement lisses), pour qu’il puisse en absorber rapidement la chaleur par conduction thermique (la conduction étant bien plus efficace que la radiation, elle permet d’évacuer bien plus de chaleur via une même surface). Derrière cette chaleur est dissipée vers la source froide, mais à travers une surface bien plus grande que celle du composant, le radiateur disposant d’une surface très découpée.
L’efficacité du radiateur va dépendre principalement de trois facteurs :
- La conductivité thermique du matériau constituant l’interface entre le radiateur et le composant à refroidir.
- La conductivité thermique du matériau constituant la surface du radiateur.
- La surface de dissipation du radiateur.
Les matériaux les plus couramment utilisés pour les radiateurs de processeurs sont aujourd’hui le cuivre pour la base du radiateur, car il a une très bonne conductivité thermique, et l’aluminium pour sa surface, ce dernier permettant de limiter le coût et le poids du radiateur. Pour les puces moins gourmandes, les radiateurs sont généralement intégralement en aluminium.
Du fait de son inertie thermique, le radiateur permet aussi de réduire la vitesse des variations de température de la puce : lorsque la consommation de la puce augmente, il faut que le delta de température augmente pour que la puissance puisse être dissipée. Le radiateur va alors lisser ces variations en stockant plus ou moins de chaleur. Pour une même surface de dissipation, un radiateur plus massif offrira donc de meilleurs résultats. Les températures extrêmes à l’équilibre seront les mêmes, mais les variations seront plus douces.
La convection forcée
Quand la quantité de chaleur à dissiper devient importante, la convection naturelle peut ne plus être suffisante pour assurer un bon renouvellement de l’air frais qui baigne la surface de dissipation, surtout que de nombreux obstacles peuvent freiner la convection naturelle : câbles, boîtier, mais aussi les ailettes des radiateurs, en particulier lorsqu’elles sont peu espacées pour maximiser le rapport surface/volume… La solution à ce problème est la convection forcée, qui, comme son nom l’indique consiste à forcer les mouvements d’air, par exemple à l’aide d’un ventilateur.
L’efficacité de la ventilation se mesure principalement avec deux paramètres :
- Le débit d’air, dont va dépendre la quantité de chaleur évacuée.
- La pression statique du flux d’air, qui caractérise sa capacité à circuler malgré les obstacles.
De manière générale, il vaut mieux privilégier le débit pour des ventilateurs de boîtier, dont le rôle est de renouveler l’air intérieur, pas de refroidir directement un composant, tandis qu’il vaut mieux privilégier la pression statique pour les ventilateurs montés sur un radiateur, pour s’assurer que le flux d’air pénètre au maximum dans les entrailles du radiateur.
Les caloducs
Pour maximiser l’efficacité d’un radiateur, il faut que les transferts thermiques entre sa base et sa surface se fassent le plus vite possible, et avec un maximum d’homogénéité. Pour un petit radiateur, il est facile d’y parvenir en fixant simplement les ailettes sur la base (souvent, les deux sont mêmes d’une seule pièce). Mais pour un gros radiateur de processeur, c’est quasiment impossible, d’autant plus que compte tenu de l’obstacle que constitue la carte mère, il est préférable de privilégier un flux d’air parallèle à celle-ci, et donc, des ailettes parallèles à la base du radiateur…
C’est à ce niveau qu’interviennent les caloducs (ou « heatpipe » pour les anglophones). Les caloducs sont des petits tuyaux métalliques contenant un fluide, et qui servent à assurer un transfert rapide de chaleur par changement de phase : le fluide emmagasine de la chaleur en s’évaporant du côté de la source chaude (base du radiateur) puis va la restituer en se condensant du côté de la source froide (ailettes). Le liquide condensé peut ensuite revenir vers la source chaude, par capillarité au sein d’une mousse ou d’une structure maillée qui tapisse les parois du caloduc.
La plupart des radiateurs haut de gamme utilisent aujourd’hui ce principe, souvent poussé à l’extrême, avec des ailettes qui ne sont plus du tout en contact direct avec la base, toute la chaleur à dissiper leur étant apportée par les caloducs.
Le refroidissement liquide
Enfin, quand la quantité de chaleur produite augmente encore un peu, il faut recourir aux grands moyens : le refroidissement liquide. Au lieu d’un radiateur, le composant à refroidir est surmonté d’un bloc parcouru par un circuit de liquide (waterblock), qui permet d’évacuer bien plus de chaleur que l’air. La capacité thermique massique de l’eau (c’est-à-dire la quantité d’énergie nécessaire pour augmenter de 1°C la température d’1 kg d’eau) est 4 fois plus élevée que celle de l’air, et un circuit de refroidissement liquide brasse une masse d’eau bien plus importante que la masse d’air brassée par la ventilation.
Le circuit de liquide étant généralement fermé, contrairement au circuit d’air, il faut par contre toujours un radiateur, et éventuellement un système de ventilation, pour refroidir le liquide. Dans certains cas (datacenters), le refroidissement du liquide est assuré par un circuit liquide ouvert.
L’intérêt principal d’un tel système est le déport du radiateur, qui permet alors de disposer de plus de souplesse dans son positionnement et dans sa dimension. Cela permet d’améliorer les performances de refroidissement avec un même niveau de ventilation (et par extension, permet de réduire le niveau de bruit pour un même niveau de refroidissement). D’autre part, un système de refroidissement liquide avec réservoir offrira bien plus d’inertie qu’un système où tout le liquide est dans les tuyaux. Enfin, le refroidissement liquide permet également de réduire le nombre de ventilateurs en refroidissant plusieurs composants avec un seul couple radiateur/ventilateur.
En contrepartie, les systèmes de refroidissement liquide classiques sont plus complexes à mettre en place et plus encombrants qu’un système de refroidissement à air, puisque c’est toujours l’air qui est utilisé pour refroidir le liquide : pour une même quantité d’énergie à dissiper et une même température cible à l’équilibre, la surface de dissipation du radiateur (donc son encombrement) doit être la même qu’en refroidissement à l’air, mais il faut en plus compter l’encombrement de la tuyauterie… De même, le coût de revient est plus élevé, et peut même assez vite s’envoler dans le cas d’un système de refroidissement complet, incluant le processeur, une ou deux cartes graphiques, la carte mère, voir même parfois les disques durs…
Quel refroidissement choisir ?
Alors, quel est le meilleur système de refroidissement pour vos besoins ? Tout dépend de vos moyens, de votre configuration et de vos oreilles… Alors qu’il y a quelques années le watercooling était quasiment indispensable pour réaliser une configuration haut de gamme vraiment silencieuse, c’est beaucoup moins vrai aujourd’hui, avec l’amélioration de l’efficacité énergétique des composants. Il est de nouveau tout à fait possible d’obtenir une configuration à la fois performante et silencieuse (et même passive en faisant quelques compromis sur les performances), le tout pour un prix bien plus raisonnable qu’en watercooling.
Le point important pour y parvenir est de ne pas négliger la ventilation du boîtier. Il peut en effet être tentant de supprimer les ventilateurs du boîtier, qui ne soufflent pas directement sur un radiateur, pour réduire le niveau de bruit. Mais ce faisant, l’air à l’intérieur se renouvellera beaucoup moins, et la température intérieure va donc augmenter… Augmentation qui sera suivie par les radiateurs, pour maintenir le delta de température nécessaire à la dissipation de l’énergie. Et inutile de compter sur un boîtier en aluminium pour compenser : même si ce matériau est plus efficace que l’acier pour dissiper la chaleur, son impact sur le refroidissement de la machine est le plus souvent négligeable, d’autant plus que les parois des boîtiers en aluminium sont souvent plus épaisses que celles des boîtiers en acier.
Paradoxalement, il peut en fait même être préférable de multiplier les ventilateurs pour gagner en silence : pour un même volume d’air brassé, deux ventilateurs à basse vitesse seront souvent plus silencieux qu’un seul à plus haute vitesse, tout en homogénéisant mieux le flux d’air dans le boîtier. Il ne reste alors plus qu’à choisir correctement les ventilateurs, ce qui n’est pas forcément toujours une chose aisée, tant les références sont nombreuses.
Côté processeur, le couple ventilateur/radiateur livré avec le processeur fait généralement bien l’affaire, pour un prix défiant toute concurrence, sauf pour les oreilles les plus exigeantes. Si vous préférez envisager un autre modèle, mieux vaut opter pour un radiateur de type « tour », dont les ailettes sont parallèles à la carte mère : il bénéficiera ainsi du flux d’air du boîtier, ce qui permettra d’utiliser une aération du CPU légèrement plus lent. Au niveau du ventilateur, il faut privilégier la pression statique, si possible avec un modèle disposant d’une plage de fonctionnement relativement large, pour pouvoir moduler sa vitesse en fonction des besoins en refroidissement.
Pour les ventilateurs du boîtier, il vaut mieux privilégier le rapport débit/bruit et cibler des ventilateurs fonctionnant naturellement à basse vitesse, plutôt que des ventilateurs rapides qui nécessiteront d’être sous-voltés pour fonctionner en silence, souvent avec un rapport débit/bruit moins favorable.
Le résultat idéal est de parvenir à une ventilation suffisante pour la machine à pleine charge, même lorsque tous les ventilateurs sont à leur vitesse minimale. Ce n’est malheureusement pas toujours possible, et il peut alors être bon de prévoir un système de modulation de la vitesse. Pour le ventilateur du CPU, la plupart des cartes mères d’aujourd’hui font correctement le travail, mais elles ne sont par contre généralement pas capables de piloter l’ensemble des ventilateurs de la machine.
Dans ce cas, il peut être intéressant d’investir dans un rhéobus, un périphérique qui se monte généralement dans une baie 2.5″ ou 3.5″ et permet de piloter un certain nombre de ventilateurs. Il y en a pour presque tous les goûts, seuls les amateurs de façades sobres risquent de ne pas trouver leur bonheur : la nuisance visuelle vient souvent remplacer la nuisance sonore…
