L'ÉLECTRONIQUE SE MET AU FRAIS

Les composants chauffent de plus en plus. De nouvelles technologies de refroidissement sont nécessaires pour créer des systèmes qui gagnent en puissance et perdent en taille.

Se chauffer à l'informatique ? C'est ce qu'une étude de Microsoft proposait récemment. Il suffirait d'installer des serveurs informatiques dans les immeubles : la chaleur qu'ils dégagent permettraient de chauffer les logements. L'idée semble difficilement réalisable. Et à contre-courant de la tendance à créer d'énormes datacenters. Mais elle rappelle que l'une des principales productions de l'informatique, c'est la chaleur ! Les composants électroniques, qui gagnent en puissance, chauffent de plus en plus : pour les microprocesseurs haut de gamme, les pertes thermiques atteignent 80 à 100 watts par centimètre carré. Or, en microélectronique sur silicium, pas question de dépasser 80°C, sous peine de mettre en danger la fiabilité du système. Il faut donc refroidir. Avec souvent de grands moyens : ventilation, circulation d'eau glacée. Résultats, les systèmes de refroidissement consomment 50 % de l'énergie nécessaire au fonctionnement d'un datacenter !

Le plus grave, c'est que les problèmes thermiques sont désormais un frein à l'évolution de l'électronique. La fréquence des processeurs est bloquée à 3 GHz. Faute d'évacuer suffisamment la chaleur, il devient difficile de poursuivre dans la voie de l'intégration, qui suppose de loger toujours plus de puissance dans toujours moins de volume. « Pour refroidir un microprocesseur haut de gamme, il faut l'équiper d'un dissipateur thermique mille fois plus grand que lui ! » indique Bruno Michel, responsable de l'Advanced thermal packaging group au centre de recherche IBM de Zurich.

Du côté de l'électronique de puissance (ferroviaire, aéronautique, automobile, etc.), l'intégration est moins grande, mais les problèmes thermiques tout aussi cruciaux. « Comme en microélectronique, on a de fortes densités de puissance, mais, en plus, de fortes puissances », souligne Yvan Avenas, spécialiste de la thermique au sein du G2ELab, le laboratoire de génie électrique de Grenoble. Ainsi, chez Hispano-Suiza (groupe Safran), qui produit des convertisseurs électroniques de puissance pour les avions (freins, trains d'atterrissage, moteurs, distribution d'énergie), la gestion de la thermique est devenue un point clé de la conception des produits, car nos systèmes peuvent dissiper plusieurs kilowatts, et doivent répondre aux contraintes de volumes et de poids de l'aéronautique, comme l'explique Jacques Salat, expert en thermique chez Hispano-Suiza. Dans les deux domaines, des solutions apparaissent pour refroidir les composants.

Les calories en trop !

Un premier travail s'impose : optimiser le « packaging » des composants, le boîtier qui les protège et leur permet de communiquer. La difficulté est de garantir un chemin thermique par lequel la puce évacuera ses calories. « Nos clients nous demandent une modélisation thermique du composant », signale Bruno Dervaux, ingénieur de développement packaging chez e2v (ex-Atmel), qui fournit des composants haut de gamme pour l'aéronautique, l'espace et la défense. Processeurs et convertisseurs de données sont les produits qui chauffent particulièrement. Des simulations réalisées avec le logiciel Ansys permettent de calculer la résistance thermique du boîtier et d'établir des cartes thermiques du composant. Un outil pour valider le choix des matériaux, leur épaisseur, l'architecture du packaging... dont le rôle est aussi d'assurer le transfert de la chaleur vers un système de refroidissement.

Car l'évacuation « naturelle » de la chaleur ne suffit pas. Le recours à un dissipateur thermique, pièce métallique accolée au composant, est la solution la plus répandue en microélectronique et en électronique de puissance. Comme un radiateur d'appartement, elle est conçue pour maximiser sa surface d'échange avec l'air ambiant, en se parant d'ailettes, d'aiguilles, ou en adoptant une forme de nid-d'abeilles. Un ventilateur améliorera l'extraction de chaleur. Mais il est encombrant... La taille du dissipateur devient déjà un problème, et son efficacité limitée n'est plus à la hauteur des besoins.

En reprenant le principe du dissipateur associé à un ventilateur (voir schéma), un chercheur des Sandia National Laboratories (États-Unis) a conçu un ingénieux système qui, selon lui, résout trois problèmes : l'existence d'une couche d'air immobile à la surface du dissipateur, l'encrassement de sa surface - ces deux facteurs limitent l'efficacité du refroidissement - et le bruit du ventilateur. « Il y a encore beaucoup à faire pour optimiser l'efficacité du système et reconcevoir le prototype pour qu'il puisse être fabriqué à bas coût, assure Jeffrey Koplow, l'inventeur du système. Mais nous avons déjà reçu une vingtaine de demandes de licence, y compris de grands groupes. »

L'autre dispositif de refroidissement très utilisé en électronique vise à transférer la chaleur depuis sa source jusqu'à un point où elle sera dissipée plus facilement : c'est le caloduc. Il contient un fluide en circuit fermé qui, en se vaporisant, extrait la chaleur à une extrémité et la restitue à l'autre en se condensant à nouveau. Le liquide revient via un réseau capillaire (la force capillaire joue le rôle de pompe). Utilisés en électronique de puissance, mais aussi dans les ordinateurs portables (ils ne consomment pas d'énergie), les caloducs sont toujours l'objet de recherche. « Nous cherchons à améliorer leur efficacité, afin de maintenir les composants électroniques à plus basse température ou à augmenter leur capacité, ce qui permettrait de les utiliser dans des applications militaires à très fortes dissipations de chaleur », indique Suresh Garimella, qui dirige le Cooling Technologies Research Center (CTRC) de Purdue University (États-Unis). Une vingtaine de chercheurs y étudient un large éventail de dispositifs de refroidissement. En modifiant la surface interne du caloduc avec des nanotubes de carbone, ils créent des structures capillaires fortement conductrices de la chaleur. D'autres équipes travaillent à la miniaturisation des caloducs. C'est le cas au CEA Leti, qui a fabriqué des prototypes de microcaloducs d'un millimètre d'épaisseur gravés dans le silicium. Ces systèmes permettront d'extraire la chaleur au plus près des points chauds d'un système électronique. Ils pourraient intéresser l'industrie spatiale, toujours à la recherche de la compacité, et dont l'électronique, dans le vide, ne peut pas compter sur l'air ambiant pour se refroidir...

Plus efficaces que l'air

La nécessité de refroidir plus efficacement l'électronique est aussi à l'origine d'inventions de technologies inédites. Ainsi, la start-up Tessera, issue de l'université de Washington à Seattle, a été créée pour commercialiser un système de refroidissement d'ordinateur portable silencieux et sans pièces mobiles, fondé sur le phénomène de l'électrohydrodynamique (EHD). Des molécules d'air sont ionisées puis accélérées par un champ électrique, créant un flux qui extrait la chaleur de l'ordinateur (voir schéma). Cette technologie est aussi étudiée au CTRC de Purdue. « Il y a plusieurs défis à relever : ces systèmes demandent de fortes tensions électriques, ils créent des problèmes de compatibilité électromagnétique et leur fiabilité à long terme doit être démontrée », reconnaît Suresh Garimella.

Pour faire face aux besoins futurs d'extraction de chaleur, des industriels cherchent à remplacer l'air par des fluides plus efficaces. Ainsi, dans le cadre du projet Thermelec porté par Hispano-Suiza, le G2ELab a élaboré un prototype de boucle de refroidissement utilisant un métal liquide (le gallium, doté d'une forte conductivité thermique) mis en mouvement par une pompe magnétique. Ce type de boucle de refroidissement permettrait de transférer efficacement la chaleur de l'électronique vers une source froide : la paroi du fuselage ou de la nacelle du moteur.

Pour la microélectronique, IBM mise sur le refroidissement par eau. Il l'a déjà montré avec Aquasar, un prototype de supercalculateur dont les cartes électroniques sont rafraîchies par un réseau de canaux. Ce n'est qu'une étape. L'idée est de fabriquer des microcanaux de 50 microns de diamètre dans les puces, afin d'extraire la chaleur au plus près de la source (voir schéma P. 59). « Notre objectif est qu'un système informatique ne consacre à son refroidissement que 3 à 5 % de l'énergie qu'il consomme », annonce Bruno Michel, chez IBM. L'enjeu, en fait, est d'inventer le système de refroidissement adapté aux futurs circuits 3D constitués de couches empilées de processeurs, mémoires... Selon IBM, un empilement de processeurs pourrait dissiper 5 kW par centimètre cube ! « Les moyens traditionnels suffiront pour deux ou trois puces empilées. Au-delà, il faudra d'autres solutions », précise Gilles Simon, responsable du laboratoire de packaging 3D au CEA Leti. Le laboratoire a modélisé un système de canaux de 40 microns de diamètre équipé de micropompes. Il espère démarrer un projet de démonstration en 2012.