Introduction
“La complexité permettant de minimiser le coût des composants a été multipliée chaque année à peu près par un facteur deux.”19 Avril 1965. Un article paru dans “Electronics”, intitulé “Cramming more components into integrated circuits” fait sensation. L’idée que dans 10 ans, seront disponible à la vente et pour un coût dérisoire des microprocesseurs plus puissants que tous les supercalculateurs de l’époque réunis fait peur. Le directeur de recherche de Fairchild Semiconductor, un certain Gordon E. Moore, constatait pourtant en créant un graphique pour un exposé sur l’évolution des performances des mémoires, que la capacité des puces avait doublé à peu près chaque année de 1959 à 1965. Il en déduisit cette célèbre loi empirique, qui implique donc l’augmentation exponentielle du dégagement calorifique des processeurs au fil des années. La fin de l’application de cette loi ? 2017 au mieux.
C’est donc engloutie dans le gouffre sans fin de l’augmentation des performances du refroidissement, que l’évolution de la puissance des processeurs peut se faire. En fait, le problème du dégagement calorifique se pose doublement, car non seulement la chaleur à dissiper est de plus en plus importante, mais aussi et surtout, du fait du choix d’augmenter les fréquences des processeurs par le biais de la finesse de gravure, toujours plus fine, la chaleur à dissiper est de moins en moins répartie et de plus en plus condensée. Le dernier exemple en date est le passage de l’Athlon XP du 0.18µ au 0.13µ : sans subir aucun autre changement, la surface du die est ainsi passée de 128 à 80 mm², alors que, sur les modèles les plus hautement fréquencés, la dissipation du processeur par effet joule sera encore plus forte.
Si la dissipation par air a ainsi pu garder nos processeurs à une température raisonnable depuis maintenant bientôt 10 ans, des signes de plus en plus pressants (l’intégration, de base, de systèmes de watercooling dans les nouvelles séries de portables haut de gamme d’Hitachi, les plaintes de plus en plus importantes d’utilisateurs face a l’augmentation devenue insupportable du dégagement sonore des derniers ventirads, la prolifération récente de tours intégrant un refroidissement liquide clef en main et l’explosion du marché du watercooling) prouvent que nous avons atteint les limites de celle-ci, et qu’il est désormais temps de nous intéresser a cette nouvelle méthode de refroidissement, que l’on peut pleinement considérer comme la relève du refroidissement par air, et qui devrait maintenir nos processeurs à des températures décentes pour pas mal de temps.
Le but de cet article est de présenter succinctement quelques théories et mécanismes mis en jeu dans le fonctionnement du refroidissement par eau.
L’échangeur à eau
J’aimerai avant toutes choses placer une remarque importante concernant le watercooling : celui-ci repose sur le principe même du transfert de chaleur.En fait, l’unique intérêt d’utiliser de l’eau réside dans le fait que celle-ci est suffisamment caloportrice pour pouvoir engranger la chaleur dégagée par le processeur, et l’acheminer vers une gros échangeur à air : cela permet ainsi de pouvoir déplacer l’échangeur à air, et de le placer à un endroit lui permettant d’être bien plus conséquent. Mais notons que si l’on arrivait à placer directement en aircooling, sur le processeur, des radiateurs de la taille de ceux utilisés en watercooling, avec le flux d’air correspondant, nous obtiendrions les mêmes performances.
De par la nature même de l’eau, très dense, nous devons ici repenser complètement notre manière d’envisager la physique du refroidissement, et ne pas commettre l’erreur de transposer les règles de l’aircooling au watercooling.
Ainsi l’eau, par sa densité, est 23 fois meilleure caloportrice que l’air (on passe de 0,026 W/mK à 0,61 W/mK) ; dès lors, l’objectif n’est plus, comme pour l’aircooling, de maximiser la surface d’échange avec le caloporteur, mais au contraire de raccourcir le plus possible la distance entre les deux. Le but : amener le point où la température correspond a la moyenne des 2 températures les plus éloignées, le plus proche possible du core. C’est pourquoi toutes les tentatives de transformation de ventirads en échangeurs à eau se sont révélées être moins efficaces que de véritables échangeurs à eau correctement usinés.
Un exemple de cette différence fondamentale qui oppose les deux types de refroidissement : Si, pour un échangeur à eau, on cherchera à amincir le plus possible la taille de la couche de métal séparant le maze (circuit d’eau interne à l’échangeur) du core (du moins, quand le flux d’eau est suffisamment conséquent; dans le cas inverse, la base est en général assez conséquente pour répartir la chaleur sur la totalité de l’échangeur), différents tests n’ont cessés d’établir de manière évidente qu’à ventirad identique, celui qui aura la plus grosse base sera le plus efficace.
Poussé à l’extrême, cela a donné naissance au Direct-Die : l’eau est directement en contact avec le processeur, sans passer par un véritable échangeur à eau puisqu’il ne joue plus du tout le même rôle.
Vous pourrez voir à cette page le projet réalisé par cette équipe.
Ils ont réalisé une capsule venant faire une bulle étanche au-dessus du core, avec de l’eau a l’intérieur…
Beaucoup d’idées préconçues et contradictoires circulent au sujet des performances du Direct-Die, tant et si bien qu’aujourd’hui il devient difficile pour beaucoup de connaître la réelle efficacité de ces systèmes…
Que se passe t’il lorsque l’on refroidie un processeur avec un simple ventirad ou un échangeur à eau ? La chaleur émise par le core est d’abord transmise en partie à la base en métal, puis a l’air ou a l’eau. Le mot très important de cette dernière phrase, et qui explique en fait tout l’intérêt du Direct-Die est « transmise en partie ». Des études réalisées sur la conduction thermique montrent en effet que le transfert thermique qui s’opère entre deux surfaces à priori plates, est exécrable ; du fait de l’existence irrémédiable de microaspérités à la surface de la base et du processeur, on estime la surface de contact réelle entre ces deux éléments à environ 5% de la surface de contact visible ! 5%, c’est très peu, surtout quand on sait que les 95% restant sont en fait de microcavités remplies d’air (ou de pâte thermique, voilà son rôle !), ayant une conductivité thermique risible en comparaison du cuivre ou de l’aluminium. Dans un système basé sur le Direct-Die, la surface de contact entre le processeur et l’eau, en revanche, est de 100%. Bien sur, on pourrait alors contester l’intérêt de la chose en disant que la conductivité de l’eau est 650 fois inférieur à celle du cuivre, mais on retrouve ce même transfert dans un système de watercooling classique, simplement, on enlève une résistance et on comble l’amenuisement de la surface d’échange réelle par un débit plus important et mieux orienté. C’est aussi là que des confusions peuvent naître : dans de tels systèmes, la conception de l’ « échangeur » doit être exemplaire et parfaite, afin d’éviter la formation d’une pellicule d’eau chaude sur le core.
Evidemment, les lourdes contraintes d’utilisation (maintenir le flux absolument constant, à la moindre panne de la pompe…) rendent son exploitation réelle pratiquement impossible, mais ceci ne constitue en rien une déception, car l’intérêt d’un tel système est purement théorique ; en effet, face à la réduction irrémédiable de la taille du core des processeurs, ce système va devenir de moins en moins efficace. Cela dit, les performances mesurées sont excellentes, vous trouverez en effet sur ce même site un comparatif de performances entre un système a base de Direct-Die et un échangeur à eau plus classique…
Un tel système serait absolument inenvisageable dans le cas de l’aircooling, tout simplement parceque l’air conduit 23 fois moins bien la chaleur que l’eau.
Plus classiques, les échangeurs à eau intégrés habituellement ont une géométrie bien différente puisqu’une couche de métal vient s’interposer entre l’eau et le processeur, ce qui reste la méthode la plus sûr et la plus simple. Le principe est des plus simple : tenter de répartir la chaleur du core sur toutes la surface de l’échangeur, puis optimiser le tracé d’un circuit d’eau afin de refroidir le plus rapidement et le plus efficacement cette surface.
Depuis que le watercooling s’est démocratisé aux Etats-Unis, la bataille fait rage entre divers fabricants afin de déterminer l’échangeur qui offre les meilleures performances. Le secret des performances d’un échangeur à eau se trouve dans l’optimisation de l’architecture de son circuit d’eau pour l’apparition de turbulences. Celles-ci sont la clef de l’efficacité de l’échange thermique, tout simplement parce qu’elles favorisent les échanges moléculaires, à l’inverse d’un flux laminaire.
Au final, on peut observer des différences de températures allant jusqu’à 5°C entre différents échangeurs en cuivre.
Le radiateur
Les radiateurs étant chargés de refroidir l’eau chauffée par l’échangeur, il est aussi important de choisir un bon radiateur qu’un bon échangeur.En réalité, il faut pour faire ce choix avoir déjà une idée de l’agencement de son circuit. En effet, on ne choisit pas le même radiateur si l’on doit l’intégrer à l’intérieur de la tour ou si cela n’as pas d’importance : les contraintes d’intégration ne sont pas les mêmes.
Concrètement, le but est de maximiser l’échange de l’eau avec l’air; la plupart des radiateurs vendus dans le commerce comprennent en fait un gros serpentin, dans lequel une multitude d’ailettes sont accolées. Ils se différencient, eux aussi, en plusieurs types. Notons que si l’eau doit parcourir l’échangeur à eau le plus vite possible, en revanche, elle doit rester le plus longtemps dans le radiateur pour perdre sa chaleur : un compromis est donc à trouver, mais comme le débit dans un circuit fermé est constant en tout point, l’astuce consiste à jouer sur le diamètre interne de chaque élément.
Les Bongs :
De tous temps, les Bongs ont fascinés les overclockers du monde entier, un peu à l’image de la pierre philosophale, car ils réussissent le pari impossible de descendre la température de l’eau en dessous de la température ambiante sans utiliser de plaques à effet peltier ni aucun appareil électrique autre qu’un ventilateur et une pompe à eau. Qu’il me soit permis de vous expliquer le principe de ce refroidisseur hors catégorie qui obtiendra les meilleures performances, loin devant les radiateurs précédemment cités.
Le principe du bong est venue a l’esprit de son créateur en se posant une question simple : Comment optimiser au maximum les échanges entre l’air et l’eau du circuit, et la légende veut qu’il aurait trouvé la réponse en prenant sa douche ! 😉
Explication :
Précisons tout d’abord que sa conception implique la présence d’un second circuit d’eau. L’eau chaude est remontée par une pompe secondaire vers un pommeau de douche qui va ainsi disperser l’eau de la manière la plus volatile possible ; quoi de plus efficace en effet pour refroidir l’eau que d’en refroidir chaque goutte isolément ? Mais l’autre intérêt de cette technique, c’est qu’elle est propice à une évaporation de l’eau. Et c’est bien cela, le secret des bongs : la perte substantielle de chaleur que réalise l’eau lorsqu’elle s’évapore.
La calorimétrie nous apprend en effet qu’au cours de la vaporisation (et donc de l’évaporation) en tant que changement d’état, l’eau absorbe de la chaleur au milieu extérieur ; cela correspond en fait l’énergie nécessaire pour rompre les liaisons intermoléculaires, ce qui va permettre ce changement d’état. Les proportions sont les suivantes : Lors du passage de l’état liquide à l’état gazeux, 1 mol d’eau (ce qui correspond à seulement 18 mL) absorbe 41 000 J ! Or, un processeur, même bien overclocké, dissipe rarement plus de 100 W, ce qui correspond à 100 Joules/secondes ! Le rapport de force peut ainsi être qualifié de considérable (même si évidemment, les échanges thermique sont malheureusement très loin d’être parfaits, tout ceci reste très théorique…), et explique les performances du bong, face aux radiateurs classique qui eux n’utilisent pas le principe de l’évaporation.
L’effet est augmenté en rajoutant un ventilateur à la base de la tour. L’eau retombe froide.
L’efficacité du bong augmente donc aussi avec sa taille. Une fois refroidie, l’eau est réinjecté directement dans le circuit principal.
En pratique, les performances sont impressionnantes puisque avec un bong de bonne taille, il n’est pas rare de faire descendre l’eau de plus de 8°C en dessous de la température ambiante, ce qui fait bien 10 °C de moins que ce que les meilleurs (et les plus coûteux !) radiateurs classiques peuvent faire.
Toutefois, les inconvénients de ce système sont multiples (bruit de l’eau qui retombe au fond, humidité de la pièce dans laquelle se trouve le bong élevée, encombrement de l’engin, nécessité d’utiliser une deuxième pompe, nécessité de rajouter très régulièrement de l’eau dans le circuit), mais les performances sont vraiment là !
Le caloporteur
Une règle d’or dans le watercooling : ne jamais utiliser de l’eau du robinet !Pourquoi ? Plusieurs raisons à cela…
Tout d’abord, on constate la nette apparition, avec cette dernière et avec le temps, de dépôts de calcaire, aussi bien sur les tuyaux que sur l’échangeur (ce qui peut devenir très gênant…). On retrouve en effet dans l’eau du robinet un certain nombre d’éléments chimique plus ou moins appréciables (chlore, etc.), qui, même présents en faible quantité, à force d’être en contact avec les différents métaux du circuit, viennent favoriser des réactions et des dépôts parasites.
Les autres raisons sont liées à la chimie…
L’eau du robinet est en effet une eau ionisée, c’est à dire qu’on retrouve dans celle-ci différents ions… Or, le fait qu’une solution conduise l’électricité est justement du à la présence d’électrons. Concrètement, le courant correspond en réalité a un transfert d’électrons, tous issus des ions. Sans ions, pas de conduction.
C’est dans cette optique que l’on conseille fortement d’utiliser comme caloporteur de l’eau distillée (ou déminéralisée, voire même osmosée, la nuance entre ces trois termes résidant dans le procédé et le degré de pureté…). C’est en fait une eau qui, après être passé dans des bains de résines échangeuses d’ions, ne contient, en théorie, plus aucun ions.
Cependant, il reste un problème : l’eau est le siège de la réaction d’autoprotolyse, qui fait qu’il subsiste en permanence des ions dans toute eau présente à l’état liquide. C’est ce qui tendrait a expliquer que malgré l’utilisation exclusive d’eau déminéralisée, certains, suite à l’apparition d’une fuite, on vu la mort de tout ou partie de leur configuration… (et dans ces cas la, c’est la carte graphique, la première pièce juste en dessous de l’échangeur à eau, qui reçoit).
Ceci tendrait à prouver que la réaction d’autoprotolyse de l’eau est négligeable dans le rôle de la conductivité électrique de l’eau… En revanche, ce à quoi il faut veiller, c’est à la reminéralisation de l’eau, qui au fil du temps et du passage sur une pièce en métal, et au contact de l’air, s’enrichit fatalement en divers éléments chimiques… Il ne faut donc pas hésiter à renouveler souvent son eau (vu le prix, ce n’est vraiment pas un problème…).
Mais le troisième intérêt d’utiliser de l’eau déminéralisée concerne un problème que l’on peut rencontrer sans avoir de fuites…
L’oxydoréduction :
Bon, je ne vais pas entrer dans les détails, mais sachez simplement que si votre eau n’est pas distillée, veillez bien à ne pas utiliser deux métaux différents dans le même circuit.
Si par exemple vous avez un échangeur en cuivre, et un radiateur en aluminium, avec de l’eau standard, une réaction naturelle se produit entre ces deux métaux, et va faire que l’aluminium du radiateur va peu à peu migrer en couches sur le cuivre (sur le maze de l’échangeur), et qu’à la fin, votre échangeur à eau sera complètement bouché, et votre radiateur percé.
Bon, cela dit il faut vraiment avoir de mauvaises conditions pour que cela se produise rapidement… Veillez alors à utiliser du liquide de refroidissement, décrit plus loin.
Surtout, il faut faire attention a ne pas utiliser des mélanges exotique (du style eau déminéralisée + « purple ice » + anti-algues + javel + liquide de refroidissement), car l’acidité ou la basicité du caloporteur augmentera considérablement la vitesse de ces réactions. Seul le mélange eau déminéraliséé + liquide de refroidissement ne présente pas de problèmes, et est même recommandé.
Bien sur, dans le cas ou le radiateur et l’échangeur sont tous les deux composés du même métal, aucun problème ne se pose.
Les additifs
On trouve désormais différents additifs vendus pour le watercooling. Sachez qu’aucun d’eux n’est réellement indispensable, mais ils peuvent dans certains cas être intéressants dans un but précis…
Le liquide de refroidissement :
Issu de l’industrie automobile, il est utilisé dans le circuit de refroidissement du moteur…
Son rôle est double : augmenter très légèrement la caloportricité de l’eau (n’espérez pas gagner plus d’un degré), et empêcher l’oxydoréduction.
Dernier détail : il est généralement coloré en bleu ou vert, ce qui peut être très intéressant à certains égards…
Le watter-wetter / purple-ice :
Souvent vendus assez cher par rapport à leur contenance, ils présentent une jolie couleur rose, et améliorent, la encore très légèrement, la conductivité de l’eau…
La fluorescine :
A l’origine, il s’agit d’un produit utilisé pour détecter la présence d’eau… mais soumis à un éclairage aux UV, elle présente une magnifique couleur verte fluo, du plus bel effet !
La pompe, l’airtrap et les tuyaux
Véritable coeur du circuit, la pompe maintient le flux du caloporteur.En ce qui concerne la puissance, comme expliqué plus haut, les meilleures performances sont obtenues avec les débits les plus soutenus. Cependant, à partir d’un certain débit, les pompes commencent à ronronner plus bruyamment, et les prix s’envolent. Il faut donc savoir faire le bon choix avec son circuit, mais disons que le minimum est de 600l/h, et que je situerai le maximum vers 1200 l/h.
En effet, il arrive un stade ou le débit devient si important que le remplacer par un débit 2 ou 3 fois supérieur ne fait plus gagner un seul degré, d’après les tests. Sur un circuit avec un gros radiateur, et deux échangeurs à eau, cette limite est fixée à 1200l/h.
L’airtrap
En français “piège à air”, un airtrap n’est utilisé que dans les circuits internes, afin de purger l’air qui vient inévitablement parasiter le circuit lors du remplissage.
Le concept ? Créer un mini réservoir dans le circuit, dans lequel l’eau arrive et repart par en dessous. Si des bulles d’air se trouvent dans le circuit, étant chassées vers le haut par l’eau du circuit, celles-ci se retrouveront coincées dans ce réservoir dès qu’elles y rentrent. Cependant, pour pouvoir ainsi fonctionner, il doit être situé au point le plus haut de tout le circuit.
Une fois l’air purgé, il ne sert plus que de réservoir.
Les tuyaux
Trop souvent négligés, ces « vaisseaux sanguins » du watercooling sont des éléments importants, dans la mesure ou certains ont eut à les changer par suite d’un mauvais choix.
Concernant la taille tout d’abord, on choisira bien sur le plus grand diamètre interne possible afin de minimiser la résistance.
Sachez que le meilleur choix reste souvent du 12 mm interne, car cette taille correspond au diamètre de sortie de la majorité des pompes utilisées dans ce domaine, et à bon nombre d’échangeurs à eau, bien que certains soient en 10 mm au niveau du diamètre externe des embouts cannelés en laiton. Ensuite, concernant la qualité, il ne faut surtout pas négliger un aspect très important : La souplesse des tuyaux.
En effet, dans la mesure ou l’on est amener à effectuer de très nombreuses torsions sur de faibles espaces lors de la réalisation d’un watercooling intégré dans la tour, il faut absolument veiller à prendre un tuyau très souple.
Pour information, des personnes ont déjà réussies à casser les deux ergos de fixation du Socket, car leur tuyau subissait une telle torsion après l’échangeur à eau, que celui-ci a réussit à faire céder la fixation.
Il faut également savoir que plus un tuyau est large, et moins il pourra subir de torsion avant qu’il ne se plie sur lui même (débit quasiment coupé).
L’architecture du circuit
Ou comment et en quelles dispositions placer tous les éléments les uns par rapport aux autres, afin d’obtenir une efficacité maximale. Encore une question récurrente.L’éternel dilemme rencontré est sans doute de savoir où placer le radiateur par rapport à l’échangeur du processeur : avant ou après ?
Une réflexion hâtive nous conduit d’abord à une évidence : avant ! En effet, quoi de plus normal que de refroidir l’eau juste avant qu’elle n’arrive dans la pièce maîtresse du circuit.
Et pourtant, je conseillerai plutôt l’inverse.
Nous devons en effet tenir compte dans notre étude, des contraintes d’utilisation de la pompe. Les pompes utilisées dans le watercooling sont des pièces fragiles; surtout, il faut veiller à respecter les températures de fonctionnement recommandées de celles-ci, a fortiori quand elles sont immergées. Une pompe est très sensible à la chaleur, et un fonctionnement prolongé dans une eau chaude réduira fortement sa durée de vie. Pour information, la température maximum de fonctionnement des maxijets, selon son constructeur, est de 35°C.
Je conseille donc de placer le radiateur juste avant la pompe et le réservoir, mais après l’échangeur à eau. L’eau froide arrivera donc dans le réservoir, et ne menacera plus la pompe. L’eau étant refroidie par l’air, sa température n’augmentera pas dans le réservoir ni dans le reste du circuit, sauf si la pompe utilisée est de mauvaise qualité et dégage beaucoup de chaleur.
De plus, même pour le cas d’une pompe émergée, l’eau arrivera dans l’échangeur à la même température que si le radiateur avait été placé juste avant. Cette solution propose donc la meilleure alternative au problème.
Autre problème : Si vous utilisez un circuit dans lequel plusieurs éléments sont a refroidir (CPU, GPU, etc.), si le CPU sera toujours à privilégier, il est conseillé d’utiliser des Y afin de diviser le circuit d’eau en deux, et de faire une branche en parallèle, à l’inverse des systèmes des boitiers Koolance, ou l’eau chauffée par le processeur, est ensuite censé refroidir les autre pièces.
Le débit est certes divisé en deux, mais la température de l’eau parcourant le deuxième élément sera la même que pour le CPU, ce qui constitue la meilleure des solutions, tests à l’appui.
Deux Y suffisent à effectuer ce montage. On peut à la limite rajouter autant d’Y que d’éléments à refroidir sur les montages chargés, mais en dehors du CPU et de la carte graphique qui sont de loin les deux éléments qui dissipent le plus de chaleur, on pourra mettre les autres éléments en série.
Pour aider la pompe, si l’on ne veut pas investir dans un gros modèle bruyant, on pourra alors poser deux pompes identiques : Une qui propulse l’eau dans tout le circuit, et une seconde qui aspire cette eau, placée en fin de circuit.
Conclusion
Ainsi se termine ce très bref aperçu que j’ai tenté de vous donner sur ce qu’est la méthode trop souvent mystifiée et complexifiée du watercooling. Je conclurai simplement en rappelant que c’est une technique éprouvée, utilisée systématiquement dans des secteurs aussi exigeants que l’automobile (circuit de refroidissement moteur) ou encore le refroidissement des supercalculateurs depuis longtemps, et qui arrive largement à maturité pour devenir un équipement grand public de nos PC.Par ailleurs, ce premier article devrait rapidement donner naissance à un second, dans lequel je tenterai d’envisager plus concrètement l’ensemble de l’offre matériel proposé, ainsi que de donner de nombreux liens pour watercooler entièrement sa configuration soi-même. Stay tuned !
