Les technologies actuelles dépendent de plus en plus des ordinateurs et de l’intelligence artificielle — alimentés en grande partie par des centres de données, qui sont devenus une infrastructure essentielle aux États-Unis. Au cours des deux dernières décennies, les centres de données se sont multipliés rapidement, augmentant la demande en électricité pour alimenter les puces informatiques hautes performances, ainsi qu’en eau et en énergie pour le refroidissement.
Le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a été à l’avant-garde de la recherche sur cette évolution, menant des analyses pionnières et s’associant à l’industrie — des principales entreprises d’IA aux services publics et aux opérateurs de réseau — pour contribuer à garantir l’approvisionnement fiable et continu en énergie et en refroidissement que les centres de données modernes exigent. Les chercheurs analysent et quantifient les implications énergétiques de l’expansion rapide de l’industrie des centres de données. Ils travaillent également avec les acteurs clés du secteur pour identifier les meilleures pratiques, soutenir la prévision de la charge et optimiser les centres de données ainsi que leur interaction avec le réseau électrique.
Voici sept façons dont le Berkeley Lab aide les centres de données américains à fonctionner de manière plus fiable.
Suivi des tendances de croissance
Hébergeant le Centre d’expertise pour l’énergie des centres de données (CoE) du département américain de l’Énergie, le Berkeley Lab identifie les ressources qui seront nécessaires pour alimenter ce secteur en pleine croissance et contribue à garantir une infrastructure stable et fiable fonctionnant de la manière la plus efficace possible. En décembre dernier, les chercheurs du laboratoire ont mis à jour le rapport fondateur United States Data Center Energy Usage Report , fournissant une image complète des besoins en eau et en électricité des centres de données de 2014 à 2028.
Le Data Center Energy Usage Report note que la consommation d’électricité des centres de données a presque triplé entre 2016 et 2023. D’ici 2028, ont constaté les auteurs du rapport, les centres de données pourraient représenter jusqu’à 12 % de la consommation d’électricité américaine. Le Berkeley Lab continue d’intégrer les retours de l’industrie pour garantir les projections les plus précises et fournira des mises à jour plus fréquentes pour suivre le rythme de ce secteur en évolution rapide.
Alimenter la révolution de l’IA avec des technologies de refroidissement intégrées
Le personnel de recherche en informatique et en énergie du Berkeley Lab a longtemps joué un rôle crucial dans la gestion des impacts énergétiques des centres de données. Ils ont optimisé l’efficacité du supercalcul, ce qui est essentiel pour améliorer la consommation énergétique des centres de données. Et ils se sont associés à l’industrie pour concevoir des systèmes de supercalculateurs hébergés au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) du département de l’Énergie au Berkeley Lab afin d’économiser de l’énergie et de l’eau. Le système Perlmutter du NERSC, installé en 2021, et son prochain système phare Doudna, prévu fin 2026, sont tous deux des systèmes refroidis par liquide directement sur la puce, combinés à un refroidissement par air ambiant pour maximiser l’efficacité énergétique.
Au lieu d’utiliser des systèmes à réfrigérant pour le refroidissement, l’installation du NERSC utilise la climatisation naturelle fournie par l’air ambiant et des tours de refroidissement, qui rejettent la chaleur résiduelle du centre de données directement dans l’environnement extérieur. Un effort de deux ans a réduit la consommation d’énergie non informatique de 42 %, avec des économies annuelles de plus de 2 millions de kWh d’électricité et d’un demi-million de gallons d’eau, réduisant les factures d’énergie d’environ 200 000 dollars par an. (L’énergie non informatique est utilisée pour soutenir les ordinateurs hautes performances, y compris l’énergie utilisée pour le refroidissement). Les leçons tirées du projet pourraient être appliquées aux centres de calcul haute performance à travers le pays.
Intégrer plus de puissance de calcul sur les micropuces
Si le calcul efficace est essentiel pour améliorer l’efficacité des centres de données, les micropuces sont essentielles pour améliorer les vitesses de traitement et la consommation d’énergie. Le Berkeley Lab a mené des recherches pionnières dans la construction de transistors avancés, ouvrant la voie à des micropuces informatiques écoénergétiques qui pourraient offrir de meilleures performances et nécessiter moins d’énergie que les puces en silicium conventionnelles.
Dans une percée récente, des chercheurs ont créé des microcondensateurs révolutionnaires avec une densité d’énergie et de puissance ultra-élevée, pouvant potentiellement transformer le stockage d’énergie sur puce pour les appareils électroniques. Les chercheurs du Berkeley Lab ont également démontré comment une nouvelle approche des matériaux manipulant la lumière, appelée optoélectronique, pourrait convertir directement les photons en informations au lieu d’images , réduisant potentiellement l’énergie actuellement utilisée par un ordinateur pour transmettre et analyser des images. Dans une autre avancée, des chercheurs ont développé un cadre de simulation 3D open-source qui pourrait offrir à l’industrie une approche beaucoup plus rapide et moins coûteuse pour développer des micropuces écoénergétiques en modélisant les origines atomistiques des phénomènes physiques dans les matériaux électroniques.
Normaliser les stratégies de refroidissement pour l’ère de l’IA
Les centres de données sont l’épine dorsale des services informatiques essentiels, du traitement et du stockage sécurisés des données dans le cloud à la fourniture d’une infrastructure essentielle pour l’intelligence artificielle. Les serveurs et autres matériels critiques génèrent de la chaleur lors du traitement de ces données ; et sans un refroidissement approprié et efficace, cette chaleur résiduelle peut compromettre les performances d’un centre de données. Le refroidissement liquide peut évacuer la chaleur des composants comme les CPU et GPU plus efficacement que le refroidissement par air, et à mesure que les centres de données s’adaptent aux exigences évolutives de l’IA, de nouvelles technologies de refroidissement liquide avec des efficacités encore meilleures seront nécessaires pour soutenir cette infrastructure croissante.
Le Berkeley Lab s’est associé à l’industrie pour développer des spécifications pour le refroidissement liquide des centres de données jusqu’au niveau de la puce. Le laboratoire continue de collaborer avec l’industrie aujourd’hui pour répondre aux demandes en puissance et en refroidissement considérablement plus grandes des systèmes axés sur l’IA.
En collaboration avec le Energy Efficiency High-Performance Computing Working Group, dirigé par le Lawrence Livermore National Laboratory, le Berkeley Lab a développé des spécifications pour les baies ou armoires de serveurs refroidis par liquide, facilitant une adoption plus large de solutions de refroidissement liquide efficaces. Cela comprenait des spécifications standards de l’industrie pour le fluide de transfert couvrant les matériaux du système et son fonctionnement. La spécification du fluide de transfert pour le refroidissement liquide a été affinée avec le Open Compute Project et publiée sous forme de ligne directrice.
Réduire le gaspillage grâce aux meilleures pratiques et aux outils d’évaluation en ligne
La technologie et l’expertise développées par le Berkeley Lab aident les opérateurs de centres de données publics et privés à investir les ressources économisées dans d’autres besoins pouvant stimuler la compétitivité. Par le biais du Centre d’expertise pour l’énergie des centres de données (CoE), le laboratoire a développé une suite d’outils de diagnostic, de meilleures pratiques et de conseils techniques pour permettre des opérations de centres de données plus efficaces et compétitives :
Ces outils permettent aux opérateurs d’identifier les inefficacités, de tester des rénovations et de modéliser les impacts sur les performances avant d’investir dans des améliorations. Des améliorations ciblées — telles qu’une gestion affinée des flux d’air, la mise à niveau des commandes des unités de traitement d’air en salle informatique et l’adoption d’un refroidissement à base de thermosiphon — ont permis une réduction estimée de 8 % de l’énergie de refroidissement et des économies annuelles de plus d’un million de gallons d’eau. Ces améliorations au niveau du système ont également accru la tolérance aux pannes et la flexibilité opérationnelle, soutenant l’évolutivité requise par la prochaine génération de calcul haute performance.
Optimiser la consommation énergétique des centres de données avec des simulations
Les outils de simulation de bâtiments développés par le Berkeley Lab aident à résoudre des problèmes clés dans les centres de données.
Meta utilise la bibliothèque Modelica Buildings du laboratoire, une bibliothèque open-source gratuite avec des modèles de simulation dynamique pour les systèmes de gestion de l’énergie des bâtiments, pour optimiser l’utilisation de l’énergie et de l’eau. Carrier, le plus grand fabricant de CVC au monde, utilise Modelica pour exploiter des centres de données colocalisés et pour développer des systèmes de refroidissement et des services après-vente pour les centres de données hyperscale.
Les chercheurs du Berkeley Lab s’associent également à une équipe dirigée par l’Université du Maryland pour développer un outil de modélisation de centres de données, MOSTCOOL (Multi-Objective Simulation Tool for Cooling Optimization and Operational Longevity), dans le cadre du programme ARPA-E COOLERCHIPS. MOSTCOOL est un ensemble d’outils logiciels de simulation qui peut être utilisé pour optimiser la conception des centres de données, y compris les systèmes de gestion de l’alimentation et thermiques pour une demande de refroidissement et un coût inférieurs, tout en maintenant une haute fiabilité et disponibilité. L’équipe est responsable du développement et de l’intégration des capacités de modélisation énergétique (systèmes de refroidissement et récupération de chaleur résiduelle) en utilisant le moteur EnergyPlus.
Planifier l’avenir de l’efficacité des centres de données
Le Berkeley Lab a soutenu à la fois l’industrie des centres de données et l’industrie électrique dans la planification d’un avenir où la puissance de calcul dispose d’une base stable pour croître. Les meilleures pratiques et les outils du laboratoire ont été adoptés, des petites salles de serveurs aux installations cloud hyperscale. Pour partager les connaissances, le programme de formation des praticiens de l’énergie des centres de données forme la main-d’œuvre nécessaire pour réaliser les mises à niveau. En consultant l’industrie, le programme met régulièrement à jour son programme pour refléter l’état de l’art dans des domaines clés tels que l’équipement informatique, la gestion de l’air, les systèmes de refroidissement et les systèmes électriques.
En octobre, près de 150 participants de l’industrie ont participé à une session d’écoute co-organisée par le laboratoire avec son partenaire BP Castrol lors du sommet mondial OCP 2025. Cet événement a sollicité des avis sur la hiérarchisation des obstacles techniques les plus difficiles, y compris des sujets comme l’alimentation et le refroidissement des équipements de calcul haute densité et des micropuces, et l’identification des pratiques et tendances à l’échelle de l’industrie dans la sélection des équipements informatiques pour tous les types de centres de données et charges de travail. Ces retours seront utilisés pour calibrer les modèles à l’échelle de l’industrie de la consommation d’énergie des centres de données américains.
