Il existe une meilleure façon de refroidir les centres de données, ce qui réduit considérablement leur forte consommation d’eau.
L’eau est une substance extraordinaire. Le corps humain est composé à plus de 50 % d’eau. Environ 70 % de la surface de la Terre est recouverte d’eau. Nous la buvons, nous nous lavons avec, nous cuisinons avec, nous l’utilisons pour faire le ménage. Elle sert également à refroidir les centres de données, ce qui exerce une pression croissante sur une ressource rare dans de nombreuses régions du monde.
L’essor de l’intelligence artificielle (IA) alimente la construction de nouveaux centres de données à travers le monde. Cette croissance est due aux volumes considérables de calcul nécessaires à l’entraînement et à l’exécution des modèles d’IA génératifs. Les centres de données dédiés à l’IA sont des installations spécialisées dotées de l’infrastructure requise pour répondre à ces besoins accrus en puissance de calcul.
Un récent rapport de l’ONU avertit que la consommation d’eau des centres de données d’IA devrait égaler les besoins quotidiens en eau de 1,3 milliard de personnes d’ici 2030. Actuellement, les systèmes de climatisation acheminent de l’air frais vers les salles serveurs qui abritent les équipements électroniques. L’eau est ensuite utilisée pour évacuer la chaleur résiduelle de cet air vers l’environnement.
Mais existe-t-il d’autres moyens potentiels de refroidir ces installations, des moyens qui ne consommeraient pas autant d’eau ?
En ingénierie, l’eau possède des propriétés thermiques exceptionnelles. Sa capacité thermique massique (l’énergie nécessaire pour élever sa température) est très élevée. Elle possède également une chaleur latente de vaporisation exceptionnellement élevée (l’énergie nécessaire pour transformer l’eau liquide en vapeur d’eau).
La chaleur latente est ce qui vous rafraîchit lorsque la transpiration s’évapore de votre peau ; un mécanisme de refroidissement d’une efficacité remarquable. Ces propriétés font de l’eau le fluide idéal pour transporter la chaleur, pour des applications allant des automobiles et du chauffage domestique aux grandes centrales thermiques.
L’air est utilisé pour le refroidissement direct des équipements car il est plus sûr qu’un liquide comme l’eau, qui pourrait fuir et endommager les composants électroniques. Cependant, comparé à l’eau, l’air est un très mauvais conducteur de chaleur, même avec l’aide de ventilateurs bruyants et de courants d’air. L’énergie nécessaire au refroidissement des centres de données est comparable à celle consommée par les équipements électroniques eux-mêmes.
L’eau est utilisée pour extraire la chaleur résiduelle du système de climatisation grâce à un circuit d’eau glacée . L’air chaud provenant des serveurs est acheminé vers des serpentins d’eau froide. L’eau, désormais tiède, est ensuite évacuée par canalisation à l’extérieur de la salle des serveurs.
Une structure appelée tour de refroidissement est utilisée pour évacuer la chaleur du circuit glacé. L’eau à refroidir est pulvérisée au contact de l’air ambiant, et une partie s’évapore.
Le reste de l’eau est refroidi, puis recirculé. Il existe d’autres systèmes de refroidissement pour centres de données qui exploitent également la chaleur latente de l’eau, en utilisant le refroidissement par évaporation directe et indirecte de l’air extérieur. Cependant, ces systèmes consomment eux aussi beaucoup d’eau.
Circuits de refroidissement dans un centre de données : des échangeurs de chaleur sont utilisés pour transférer l’énergie thermique entre les circuits. TJ Breen et al. (2011)
La consommation d’eau est-elle une mauvaise chose ?
Le refroidissement par évaporation sollicite les ressources en eau, mais il permet également de réduire la consommation d’énergie électrique de l’infrastructure de refroidissement globale. À cet égard, il est important de noter que la production d’électricité elle-même nécessite également de l’eau .
Je suis professeur à l’Université de Limerick, donc pour le mix énergétique de l’Irlande, environ 0,1 à 2 litres d’eau sont nécessaires par unité d’électricité (L/kWh).
Par conséquent, en réduisant la demande en électricité, le refroidissement par évaporation pourrait être considéré comme une option « moindre mal » en termes de consommation globale d’énergie et de ressources en eau.
Bien entendu, des ressources en eau suffisantes sont indispensables – un facteur crucial dans de nombreuses régions du monde – et le stress hydrique est un problème même en Irlande, pays pourtant pluvieux. Cependant, certains exemples montrent que la collecte des eaux de pluie permet de réduire la pression sur le réseau d’eau potable .
L’utilisation de l’air comme principal fluide de refroidissement des équipements électroniques influe considérablement sur la consommation énergétique globale d’un centre de données. En effet, l’air étant un très mauvais fluide de refroidissement, sa température ne s’élève que de 5 à 20 °C lorsqu’il traverse les équipements .
L’infrastructure de refroidissement doit évacuer de grandes quantités d’énergie thermique à des températures relativement basses, de l’ordre de 25 à 40 °C. Le transfert de chaleur étant dû aux différences de température, l’installation de refroidissement est de grande taille et nécessite une importante consommation d’électricité pour faire fonctionner les ventilateurs, les pompes et les compresseurs associés.
Et si l’on utilisait un liquide pour refroidir les équipements électroniques grâce à un système de refroidissement direct sur la puce ? Dans ce cas, des réseaux de tuyaux étanches acheminent le fluide frigorigène jusqu’aux équipements, afin d’évacuer la chaleur des processeurs (CPU et GPU) énergivores qui constituent le cœur des serveurs.
Ici, comme un liquide tel que l’eau est bien supérieur à l’air, l’eau évacuée de l’équipement est plus chaude – plus proche des limites de température des composants, et potentiellement 60 °C ou plus.
Les systèmes d’intégration directe sur puce permettent de réduire les coûts de refroidissement et offrent la possibilité de valoriser l’énergie perdue sous forme de chaleur évacuée par l’eau des équipements serveurs.
Alors pourquoi tous les centres de données n’ont-ils pas adopté cette technologie ? Certains utilisent déjà le refroidissement liquide direct, mais la modernisation d’une installation refroidie par air peut susciter des réticences. Le remplacement des équipements électroniques dans les centres de données est relativement fréquent (tous les 2 à 7 ans), ce qui facilite la transition vers le refroidissement direct sur puce. Cependant, ce changement engendre des coûts et le refroidissement par air reste nécessaire pour certaines catégories d’équipements.
Les systèmes d’impression directe sur puce nécessiteraient une infrastructure plus petite et plus économique.
Les centres de données consomment aujourd’hui des quantités tellement importantes d’énergie électrique – plus de 7,5 TWh en Irlande, soit près d’un quart de la consommation mesurée – qu’il est impératif de réduire cette consommation et de réutiliser cette ressource autant que possible.