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Green IT : les promesses du refroidissement thermoélectrique
Le refroidissement thermoélectrique, ou TEC, utilise des semi-conducteurs pour contrôler efficacement la température des équipements informatiques, tout en consommant moins d’énergie. Mais il présente des limites en matière de refroidissement ambiant et d’évolutivité.
Le refroidissement thermoélectrique, alias TEC (ThermoElectric Cooling) est une technologie innovante qui exploite les principes de la thermoélectricité pour gérer efficacement le contrôle de la température dans diverses applications, des produits de grande consommation aux équipements informatiques critiques.
Les méthodes traditionnelles de refroidissement des centres de données étant confrontées à des problèmes d’efficacité et d’impact sur l’environnement, la technologie TEC constitue une alternative possible. Elle permet une régulation précise de la température et peut potentiellement consommer moins d’électricité. Cet article examine le fonctionnement de la technologie TEC, ses avantages et son rôle potentiel dans l’avenir du refroidissement des centres de données.
Comment fonctionne le TEC ?
Lorsqu’un courant continu traverse deux métaux différents, tels que le cuivre et le zinc, pris en sandwich, un changement de température se produit à la jonction des deux métaux. Les dispositifs TEC sont soit chauds, soit froids, selon le sens du courant. Si le nombre de jonctions est multiplié et connecté en série, la capacité de refroidissement ou de chauffage est multipliée en conséquence.
Les dispositifs TEC modernes utilisent de petits semi-conducteurs de type p et de type n, ce qui permet de réaliser de nombreuses jonctions dans un espace réduit. Toutefois, il existe actuellement une limite pratique au nombre de jonctions qui peuvent être assemblées avant que le coût de fabrication ne devienne prohibitif et que la consommation d’énergie ne se rapproche de celle du refroidissement conventionnel.
Les dispositifs TEC agissent sur le refroidissement de deux manières. Tout d’abord, ils transfèrent la chaleur de sa source à l’autre côté du dispositif TEC, où ils la capturent et la réutilisent ailleurs ou la transfèrent dans l’atmosphère à l’aide de liquide ou d’air. Les dispositifs TEC assurent également un refroidissement actif de l’appareil, ce qui permet un contrôle efficace de la température.
Par exemple, un dispositif de 200 watts, fonctionnant avec un coefficient de performance de 4 et un différentiel de température de 10 degrés Celsius, ou ΔT, pourrait transférer 150 W de chaleur à partir de la source de chaleur et introduire simultanément 50 W de refroidissement réel.
Trois facteurs déterminent la capacité du TEC : le nombre de jonctions semi-conductrices, le ΔT entre les côtés chaud et froid du dispositif TEC et la température ambiante. Un ΔT plus élevé entre le côté chaud et le côté froid du dispositif TEC permet d’obtenir une plus grande capacité, tandis que des températures ambiantes plus élevées réduisent la capacité.
Les applications informatiques des dispositifs TEC consistent principalement à maintenir les températures critiques des dispositifs de lancement des diodes laser pour les fibres optiques à grande vitesse et à longue portée. Les dispositifs TEC sont étudiés pour d’autres utilisations dans l’industrie informatique en raison de leur petite taille, de leur faible consommation d’énergie potentielle, de leur fonctionnement sans bruit et de leur longue durée de vie.
Remarque : le TEC ne fait que refroidir. L’humidité doit être contrôlée par des moyens plus conventionnels, comme un système CVC.

Avantages des dispositifs TEC
- Efficacité. La plupart des applications consomment moins d’électricité que les systèmes de refroidissement à compresseur lorsqu’elles sont bien conçues.
- Absence de réfrigérant. Il n’y a pas de risque de fuite de gaz à effet de serre et ces systèmes ne seront pas éliminés progressivement pour des raisons environnementales.
- Contrôle de la température. Les dispositifs TEC permettent un contrôle précis de la température à 0,01 degré Celsius, ce qui est nettement mieux que le refroidissement par compresseur, et est essentiel pour certaines applications informatiques.
- Ajustement rapide. Ces systèmes peuvent s’ajuster rapidement pour répondre aux besoins réels de refroidissement, ce qui réduit encore la consommation d’énergie.
- Taille compacte. Les dispositifs TEC sont suffisamment petits pour s’intégrer dans des espaces où même les boucles de refroidissement liquide ne peuvent être installées.
- Système de refroidissement à deux niveaux. Les dispositifs TEC transfèrent efficacement la chaleur loin de la source, tout en fournissant un refroidissement réel.
- Production d’énergie potentielle. La différence de température dans un dispositif thermoélectrique peut générer de l’électricité.
Inconvénients des dispositifs TEC
- Dépend de la température ambiante. Le TEC ne peut pas refroidir en dessous de la température ambiante, ce qui peut limiter les applications en extérieur et en plein soleil. Cependant, le côté froid peut toujours descendre en dessous de la température ambiante dans de nombreux environnements. Cela ne pose pas de problème dans les centres de données, car la plupart fonctionnent à proximité de la limite de température recommandée par l’ASHRAE de 27 degrés Celsius. Néanmoins, cela peut être un facteur dans les réseaux optiques longue distance externes.
- Dépend du différentiel de température. La capacité du TEC augmente à mesure que le différentiel de température diminue, ce qui est l’inverse des serpentins de refroidissement. L’élimination maximale de la chaleur a tendance à se produire avec un changement de température de 10 degrés Celsius, mais des réductions de chaleur de 60 degrés Celsius se produisent généralement dans la pratique où les charges thermiques sont relativement faibles.
- Problématiques liées à la chaleur. Les appareils TEC actuels fonctionnent mieux dans les applications de refroidissement entre 200 W et 300 W, certains modèles atteignant jusqu’à 1 600 W dans des conditions idéales. Mais ils ont du mal à répondre aux besoins d’évacuation de la chaleur des racks standard à grande capacité. Les conceptions non destinées aux centres de données ont atteint 150 kW , mais les applications standard sont encore bien en deçà de la capacité des racks actuels, qui vont de 5 kW à 40 kW ou plus. La plupart des transferts de chaleur à la source vers l’autre côté du dispositif TEC, celui-ci doit donc toujours s’évacuer dans l’atmosphère par voie d’air ou de liquide.
- Évolutivité limitée. Le TEC présente des limites d’évolutivité, car les appareils plus gros deviennent coûteux et peuvent consommer plus d’énergie que les systèmes de refroidissement traditionnels à compresseur.
Les scénarios d’usage des équipements TEC
Les boîtiers TEC sont petits et peuvent être configurés pour répondre aux contraintes physiques d’usages sur le terrain ; les appareils de l’ordre de 3x3 millimètres sont courants. Voici plusieurs cas d’usage :
- Les dispositifs TEC sont utilisés dans de nombreux commutateurs à fibre optique à haut débit.
- Les dispositifs TEC sont également utilisés dans les diodes laser à fibre haute puissance et longue portée où l’évacuation de la chaleur et le contrôle précis de la température sont essentiels pour maintenir la longueur d’onde et la distance de transmission.
- Les dispositifs TEC deviennent essentiels pour les équipements de communication 400 Gbit/s et 800 Gbit/s, qui nécessitent une stabilité impeccable de la température et du refroidissement.
- Les dispositifs TEC sont utiles lorsqu’il y a des inquiétudes concernant le liquide qui circule à travers les appareils.
- L’utilisation des TEC dans les processeurs est actuellement limitée, mais elle est susceptible d’augmenter à mesure que le maintien des températures de jonction dans les processeurs hautes performances devient plus difficile.
Les expérimentations autour du TEC
Des expérimentations ont démontré l’efficacité des systèmes qui couplaient plusieurs TEC et appareils thermoélectriques avec des caloducs, générant de l’électricité à partir de la chaleur du processeur pour compenser une partie de la charge énergétique du processeur.
Des chercheurs des Universités Centrales de Chine ont rapporté avoir obtenu une efficacité énergétique partielle inférieure à 1,0 lors d’essais en laboratoire, ce qui était auparavant considéré comme impossible. Cependant, cela n’est pas encore commercialement viable.
Des étudiants en génie mécanique de l’Université de l’Illinois ont décrit une conception de système pour refroidir un rack et alimenter un serveur à partir de la chaleur perdue. Cependant, le travail est théorique. Aucun prototype n’a été construit, les données ne sont donc pas disponibles.
Avec de nouvelles avancées, les dispositifs TEC pourraient fonctionner un jour pour des armoires entières. Cependant, comme les dispositifs TEC ne sont pas encore évolutifs de manière économique vers de grandes tailles, le TEC en rack complet ne semble pas sur le point de voir le jour. Le contrôle des températures de jonction des processeurs dans les serveurs hautes performances pourrait se profiler à l’horizon, mais les applications pour le refroidissement en rack complet sont encore loin (voire impossibles à mettre en œuvre).