Les chercheurs testent si le refroidissement photonique par laser peut réguler la température des puces informatiques, réduire considérablement la consommation d’énergie et augmenter l’efficacité des systèmes conventionnels à base d’air et d’eau.
Les Laboratoires nationaux Sandia aident une entreprise technologique à tester une nouvelle idée brillante pour le refroidissement des ordinateurs.
La startup Maxwell Labs, basée dans le Minnesota, a conclu un accord de coopération en matière de recherche et de développement avec Sandia et l’université du Nouveau-Mexique afin de faire la démonstration d’un refroidissement photonique à base de laser pour les puces d’ordinateur. L’entreprise est à l’avant-garde de cette nouvelle technologie qui permet de réguler la température des puces, de réduire considérablement la consommation d’énergie et d’augmenter l’efficacité des systèmes conventionnels à base d’air et d’eau.
« Environ 30 à 40 % de l’énergie utilisée par les centres de données est consacrée au refroidissement », a dit Raktim Sarma, physicien principal de Sandia pour ce projet. Il a ajouté que dans certaines communautés, la quantité d’eau nécessaire peut peser sur les ressources locales.
Les composants expérimentaux de la micropuce de Maxwell pourraient soulager l’industrie des centres de données, où les coûts énergétiques sont devenus une préoccupation croissante.
« Un projet réussi ne répondra pas seulement au besoin immédiat d’économies d’énergie, mais ouvrira également la voie à des processeurs fonctionnant à des niveaux de performance jusqu’ici considérés comme impossibles », a précisé Mike Karpe, cofondateur de Maxwell et directeur de la croissance.
Les centres de données sont les endroits où les serveurs, généralement des milliers, traitent les courriels, les recherches sur le web et les défilements de doom qui connectent l’internet. Les entreprises peuvent également posséder des centres de données privés pour des activités nécessitant une puissance de calcul importante, comme la formation à l’intelligence artificielle. Toutes ces activités génèrent de la chaleur, et les centres de données ont donc besoin de systèmes de refroidissement sophistiqués pour éviter la surchauffe des serveurs.
De nombreux chercheurs, dont le R. Sarma, ont étudié les technologies photoniques – des dispositifs qui exploitent la lumière pour effectuer des travaux utiles – pour diverses applications, notamment le traitement des données, les communications et la sécurité nationale. Par rapport à l’électronique, la photonique peut être plus rapide et plus économe en énergie.
Mais le R. Sarma et son équipe pensent que c’est la première fois que l’on essaie d’utiliser la photonique pour refroidir des ordinateurs.
Le laser entre en scène
Bien que les lasers soient plus connus pour chauffer les choses, comme dans le soudage au laser, la gravure et l’impression 3D, ils peuvent également refroidir dans des conditions spécifiques. Cela se produit lorsqu’une fréquence lumineuse particulière est associée à une cible très petite et très pure d’un élément spécifique. Dans certains ordinateurs quantiques, par exemple, les lasers permettent de maintenir des atomes individuels à des températures extrêmement basses.
Bien que le R. Sarma précise qu’un système laser ne peut pas refroidir une maison entière ou des matériaux en vrac, il estime que cela pourrait fonctionner pour des puces informatiques comme les GPU si la lumière de refroidissement peut être concentrée sur de petits points chauds localisés.
« Nous ne devons refroidir que des points de l’ordre de quelques centaines de microns », soit la taille d’un grain de poussière.
Jacob Balma, PDG de Maxwell, explique que c’est précisément l’objectif de son entreprise. L’idée est d’utiliser une plaque froide photonique pour remplacer ou compléter les systèmes de refroidissement à l’eau et à l’air, ce qui permet également de recycler la chaleur extraite sous forme de lumière et de la transformer en électricité.
Dans certains systèmes actuels, de l’eau froide circule dans des canaux microscopiques dans des plaques froides en cuivre posées sur une puce pour absorber la chaleur.
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La plaque froide de Maxwell serait une variante basée sur la lumière, conçue avec des matériaux et des caractéristiques microscopiques de la taille d’un virus – environ mille fois plus petits que l’épaisseur d’un cheveu humain – qui canalisent la lumière laser de refroidissement vers des points chauds localisés.
Selon M. Balma, les modèles de son entreprise indiquent qu’un système de refroidissement à base de laser peut maintenir les puces plus froides que les systèmes à base d’eau, expliquant : « Cela permettra de nouveaux paradigmes de récupération d’énergie qui ne sont pas possibles avec la technologie de refroidissement traditionnelle ».
Si les modèles s’avèrent exacts, ce nouveau mode de refroidissement pourrait permettre aux puces de fonctionner plus intensément sans surchauffe, ce qui améliorerait simultanément leurs performances globales et leur efficacité énergétique.
« La capacité unique de la lumière à cibler et à contrôler le chauffage localisé dans l’espace et à des échelles de temps optiques pour ces dispositifs libère des contraintes de conception thermique qui sont si fondamentales pour la conception des puces qu’il est difficile de spéculer sur ce que les architectes de puces en feront – mais je suis convaincu que cela changera fondamentalement les types de problèmes que nous pouvons résoudre avec les ordinateurs », a commenté le M. Balma.
Alejandro Rodriguez, directeur de la technologie et cofondateur de Maxwell, en tant que professeur à l’université de Princeton, a déjà collaboré avec R. Sarma, de Sandia, pour concevoir des structures nanophotoniques similaires pour d’autres applications.
« Il m’est apparu clairement au cours de cette collaboration que le Dr Sarma et les laboratoires Sandia font partie d’une poignée de partenaires qui ont la vision, l’appétit et les capacités techniques nécessaires pour s’attaquer aux composantes hautement interdisciplinaires et novatrices de ce projet en matière de matériaux, d’électronique et de photonique », a précisé Alejandro Rodriguez.
Sandia construit des dispositifs d’arséniure de gallium extrêmement purs
Sandia apporte à cette collaboration une expertise spécialisée dans le travail avec un matériau appelé arséniure de gallium. Il s’agit d’un semi-conducteur comme le silicium, qui constitue la majeure partie de la conception de la plaque froide de Maxwell.
Comme la lumière laser réchauffe les impuretés, effaçant ainsi tout effet de refroidissement, la plaque froide doit comporter des couches extrêmement pures et fines d’arséniure de gallium cristallin, également connues sous le nom de couches épitaxiales, pour fonctionner.
« C’est ce que nous savons faire », a ajouté R. Sarma.
Sandia a une longue histoire de production de semi-conducteurs de haute qualité en tant que source nationale de micropuces pour le stock nucléaire. Elle exploite également, conjointement avec le laboratoire national de Los Alamos, le centre des nanotechnologies intégrées, une installation de l’Office of Science du ministère de l’énergie. Sarma et Sadhvikas Addamane de Sandia, tous deux scientifiques au CINT, utiliseront une technique appelée épitaxie par faisceaux moléculaires pour faire croître les plaquettes et construire les dispositifs.
« Avec l’épitaxie par faisceau moléculaire, nous utilisons des sources de très haute pureté, nous pouvons contrôler l’épaisseur des matériaux avec une précision inférieure à une couche atomique et nous faisons croître les couches sous un vide très poussé », a conclu Sadhvikas.
Dans le cadre du nouvel accord de recherche, Maxwell Labs produira les conceptions techniques, Sandia construira les dispositifs et l’UNM analysera leurs performances thermiques.
Légende illustration : FILM FIN – Produit à Sandia, ce semi-conducteur à base d’arséniure de gallium a une épaisseur inférieure à un micromètre (Photo : Craig Fritz).
