Avez-vous déjà souhaité une meilleure façon de refroidir votre processeur ultra-cadencé ? Une équipe de chercheurs de Microsoft et de l’école de génie électrique et informatique de Géorgie l’a fait et a pris l’affaire en main en appliquant un dissipateur thermique microfluidique sur le bien-aimé processeur Core i7-8700K d’Intel (6 cœurs, 12 threads Coffee Lake) . Ensuite, ils l’ont overclocké pour faire bonne mesure ! Le résultat? Ils ont pu refroidir jusqu’à 215 W de puissance à partir d’un processeur TDP de 95 W en utilisant uniquement de l’eau à température ambiante, réduisant les températures de fonctionnement de 44,5 % par rapport à la conception de refroidissement du dissipateur thermique d’origine (avec refroidissement liquide).
Le Core i7-8700K n’a pas été au sommet de nos meilleurs processeurs pour la liste des jeux depuis un certain temps, mais il a marqué la transition d’Intel d’exiger HEDT pour plus de quatre cœurs de processeur vers une plate-forme grand public plus compétitive. Plus important encore, 215 W de consommation électrique dans la petite zone de matrice de 149 mm ^ 2 représentent une grande densité thermique. Le Core i9-12900K, en comparaison, a une taille de matrice de 215 mm ^ 2, avec un TDP de 125 W et une cote PL1/PL2 de 241 W. S’attaquer à la plus petite puce tout en poussant une puissance similaire représente donc un scénario de refroidissement plus exigeant.
Le refroidissement microfluidique tire son nom des micro-canaux qui sont intégrés – ou, dans ce cas, ajoutés – à la conception d’une puce. L’eau passe à travers ces canaux, qui sont isolés des transistors de la puce (généralement à l’arrière du circuit actif), et les refroidit de manière beaucoup plus efficace que l’approche traditionnelle du dissipateur de chaleur. La chaleur monte des transistors à travers un matériau d’interface thermique (TIM, qui peut parfois être à base de métal) et à travers le dissipateur thermique d’un processeur. Ce n’est qu’alors que la chaleur est évacuée du CPU en chauffant la plaque de contact sur le refroidisseur d’air ou de liquide de votre choix.
La conception de refroidissement microfluidique des chercheurs a la réputation d’avoir été adaptée à un processeur standard. Pour ce faire, ils ont retiré le dissipateur de chaleur et le TIM du processeur, transplanté dans une plaquette de support en silicium spécialement conçue, puis gravé des microfins directement sur la couche de silicium supérieure – la dernière frontière entre le monde et les transistors actifs en dessous. Ils ont ensuite inséré la puce et la plaquette de support dans la carte mère, et ajouté une autre couche de silicium au-dessus du processeur à microailettes, gravée avec une entrée et un port de sortie pour l’eau elle-même. Enfin, ils ont imprimé en 3D les collecteurs de distribution de refroidissement par eau sur le dessus de cette dernière couche.
Les chercheurs ont ensuite dû tester leur CPU – mais pas seulement à ses fréquences de stock. Ce serait un fardeau trop faible pour l’impressionnante capacité de refroidissement de leur mise en œuvre microfluidique. Le reste de leur configuration de test semble assez typique, utilisant HWInfo pour l’analyse de la température et de la charge, tout en exécutant le processeur dans les états stock et overclocké sous les charges de travail populaires Cinebench R20 et Prime95.
Dans ces charges de travail, les chercheurs ont atteint des fréquences de fonctionnement stables jusqu’à 5,2 GHz pour Cinebench R20 et 4,5 GHz pour Prime95, soit une augmentation de 40 % et 21 % respectivement par rapport à l’horloge de base nominale du 8700K de 3,7 GHz. Cependant, le 8700K fonctionnerait normalement à une fréquence plus proche de 4,3 GHz sur tous les cœurs, avec un overclocking à 4,8–5,0 GHz utilisant un refroidissement liquide. Et mentionnons simplement qu’il est très peu probable que les chercheurs soient également des overclockeurs professionnels à temps partiel.
Les chercheurs ont également testé la capacité de refroidissement microfluidique à différentes températures d’entrée, la température de l’eau à son entrée dans la chambre microfluidique. Leurs résultats montrent des capacités de refroidissement impressionnantes pour toutes les températures testées : 6 ºC, 21 ºC, 34 ºC et 42 ºC. Cela signifie que ce système peut être mis en œuvre, avec des améliorations substantielles des températures de fonctionnement, même dans des endroits où les températures ambiantes sont élevées.
Les méthodes de refroidissement traditionnelles ont fonctionné jusqu’à présent, mais nous nous rapprochons des limites de dissipation thermique depuis un certain temps. À mesure que la fabrication de puces devient de plus en plus dense, les CPU et les GPU nécessitent de plus en plus d’électricité. Dans le but de libérer de plus en plus de performances à partir de matrices de plus en plus petites, nous courons le risque que les pauvres transistors se cuisent à mort, même avec les meilleures solutions de refroidissement disponibles sur le marché aujourd’hui.
Les chercheurs soulignent que les enveloppes de puissance CPU et GPU des serveurs devraient augmenter à un rythme de 7% par an jusqu’en 2030, les TDP des sockets devant atteindre la barre des 400W dans les années 2030. Cela pourrait être conservateur, car le Nvidia H100 utilise déjà jusqu’à 700W.
Et ne parlons même pas de la véritable conception de puces 3D, qui empile les transistors les uns sur les autres, augmentant la surface de la matrice tout en les resserrant pour plus de performances et d’économies d’énergie. Il y a une raison pour laquelle le dernier processeur posterchild d’AMD, le 5800X 3XD, est livré avec un overclocking verrouillé. Les problèmes de dissipation thermique ont certainement été l’une des raisons pour lesquelles la société a choisi de ne pas lancer un équivalent 5900X à 12 cœurs avec le V-Cache 3D ajouté, bien que la société ait vanté un tel processeur à l’époque. Pour que ceux-ci soient réalisables avec des cœurs supplémentaires, et pas seulement avec le cache relativement faible consommation, ces méthodes de refroidissement microfluidique sont certainement nécessaires.
TSMC étudie ces systèmes de refroidissement dans le but de les intégrer directement à leurs capacités de fabrication. Un jour, vous disposerez peut-être de processeurs prêts à l’emploi dotés de chambres microfluidiques, et il vous suffira de connecter une boucle de refroidissement par liquide aux vannes d’admission et d’échappement d’eau intégrées aux puces elles-mêmes.
Les résultats du chercheur sont donc en ligne avec les développements de l’industrie et pointent vers une solution de refroidissement plus évolutive et plus efficace. Lorsque de tels systèmes sont enfin mis en œuvre (et nous pensons que c’est une question de quand, pas de si), ils peuvent débloquer des niveaux de puissance plus élevés et des systèmes de calcul plus efficaces, tout en minimisant les impacts environnementaux en réduisant les températures de fonctionnement. Cela aura pour effet d’augmenter l’efficacité énergétique.
Il y a un autre point en faveur de ces systèmes de refroidissement direct : ils sont beaucoup plus efficaces que les solutions de refroidissement par air à l’échelle de la pièce (ou du centre de données), qui ont tendance à se concentrer sur le refroidissement de mètres cubes entiers d’espace pour une puce beaucoup plus petite. empreinte.
Nous attendons avec impatience le jour où nous pourrons récupérer l’une de ces puces. Pour la science.