dossier le watercooling

Sommaire : I) Refroidir un processeur…
1) Pourquoi un processeur chauffe-t-il ?
2) Pourquoi refroidir son processeur?
3) Les moyens de refroidir son processeur
II) …Par le watercooling
1) Histoire et intérêt
2) Composants et fonctionnement
3) Conclusion
III) Notre projet
1) Notre watercooling
2) Démontage
3) Prises de températures
1)
I Refroidir un processeur…
1] Pourquoi un processeur chauffe-t-il ?
Le 19 Avril 1965, dans le magazine "Electronics", un article intitulé "Cramming more components into
integrated circuits" prédit que dans 10 ans, un microprocesseur tout à fait abordable du marché public
sera plus puissant que la totalité des supercalculateurs de l’époque réunis. Parallèlement, un certain
Gordon E.Moore constatait que le nombre de transistors avait doublé tous les 18 mois depuis 1959. Il
en déduisit la Loi Moore et fonda quelques années plus tard le géant Intel.
Cette loi devint un vrai challenge à atteindre pour les entreprises. Le dégagement thermique des
processeurs ne cesse donc d’augmenter. Cependant ce nombre croissant est accompagné d’une
finesse de gravure elle-même croissante, qui tend à diminuer l’effet Joule du système électronique
intégré.
Mais les fréquences des processeurs augmentant beaucoup plus rapidement que la finesse de
gravure, l’effet Joule est de plus en plus important, d'où la nécessité de refroidir les puces
électroniques. De plus, le fait d'augmenter les fréquences des processeurs par le biais de la finesse
de gravure, toujours plus fine, rend la chaleur à dissiper de moins en moins répartie et de plus en plus
condensée.
Aujourd’hui, le refroidissement classique par air commence à montrer ses limites face aux fréquences
de plus en plus élevées. Il est donc nécessaire de lui trouver un remplaçant aussi efficace que facile
d’utilisation.
2] Pourquoi refroidir son processeur?
Le processeur est le véritable centre nerveux de votre ordinateur. Il contient plusieurs milliers de
transistors, qui sont chargés de décoder les informations qui lui sont envoyés. Comme tous composants
électriques, une fois alimentés ces transistors dégagent une certaine quantité de chaleur. Avec les
fréquences élevées des processeurs vendus ces derniers mois sur le marché, cette quantité de chaleur
n’a malheureusement cessé d’augmenter. Cela explique la présence au dessus du processeur d’un
dissipateur de chaleur et d’un ventilateur, le tout appelé ventilrad. Sans ce dispositif de refroidissement,
votre ordinateur ne peut fonctionner correctement. Pire, votre processeur risque de brûler à partir d’une
température de 75°C avec sans autre solution pour vous que de le changer. Notre illustration est un
processeur AMD XP2000+ mal ventilé qui a commencé à brûler. Remarquez la tache brune autour des
transistors. Il a du être purement et simplement remplacé.
Bien entendu la température de votre processeur varie en fonction de l’utilisation de votre ordinateur.
Plus votre processeur est sollicité, plus il dégage de chaleur. Voilà pourquoi les problèmes de surchauffe
du processeur se révèlent dans la plupart des cas lors de l’utilisation d’applications gourmandes en
ressources comme la lecture de DVD, de Divx, ou le jeu vidéo. Une surchauffe déclenche en général une
procédure d’arrêt d’urgence du PC, d’où un gel de l’écran ou un redémarrage.
+vidéo
3] Les moyens de refroidir son processeur
A] Le passif
Le refroidissement passif est le plus vieux procédé permettant
de refroidir des puces électroniques. Il est formé de plusieurs ailettes dont la base est
directement en contact avec l’élément à refroidir. Il faut noter que ce système est très
silencieux, car il ne nécessite aucun ventilateur (convection naturel).
Cependant son efficacité est très limitée. En effet, il peut tout à fait refroidir le chipset de la
carte mère, ou encore la mémoire de la carte graphique mais ne peut en aucun cas refroidir
convenablement les microprocesseurs actuels.
B] Air-cooling
L’air-cooling correspond à un refroidissement classique à air : un radiateur en contact avec le
processeur permet de collecter la chaleur (conduction naturel), laquelle est évacuée à l’aide
d’un ventilateur (convection forcée).
Cependant on constate beaucoup de désavantages à ce système de refroidissement : les
ventilateurs sont source de nuisances sonores parfois très élevées lorsque l’unité processeur
est exploitée à 100%, ou simplement lorsque la température ambiante est élevée.
De plus, qui dit ventilateur dit appel d’air, c’est pour cela que rapidement la poussière
s’accumule à l’intérieur du boîtier, ce qui peut créer une gêne dans le refroidissement de
certains composants dépourvus de radiateur, cette poussière créant alors une sorte de "coque"
qui empêche la chaleur de s’évacuer.
C] Watercooling
Le principe de ce système est de récupérer la chaleur à l'aide du caloporteur (l’eau) et de
l'emmener jusqu'à un point qui va le décharger de cette chaleur. Tout ceci formant un cycle
continu et répétitif. Au cours de ce cycle, un ou plusieurs ventilateurs refroidissent un
radiateur dans lequel circule l’eau qui est ainsi refroidie. De plus, la circulation de l’eau se fait
grâce à une pompe.
Conduction Processeur / Waterblock Conduction Waterblock / Fluide Convection
forcé fluide / radiateur
Principe du Watercooling
Ce système est particulièrement avantageux car il combine les performances et le silence. Son
défaut est qu’il est complexe à mettre en place, bien qu’il existe de plus en plus de kits
d’installation ou même, dans les derniers G5 de Mac par exemple, un système directement
installé dans le boîtier de l’ordinateur.
D] Peltier
Les plaques à effet Peltier peuvent être utilisées pour refroidir un microprocesseur. Le peltier
est composé de 2 plaques où circule un courant (entre 50 et 200W) qui provoque une
différence de potentiel qui fait baisser la température. On se retrouve ainsi avec une face très
chaude, mais de l'autre côté, la plaque est très froide (on peut descendre en dessous de 0°c
pour les plaques les plus puissantes). C'est ce côté froid que l'on va plaquer sur le processeur
pour le refroidir.
Seulement ce système a de nombreux inconvénients. Il faut d’abord isoler le montage pour
éviter la condensation, et entretenir le système régulièrement. De plus, le côté chaud de la
plaque doit être refroidi, il faut ainsi prévoir au minimum un refroidissement liquide. Pour
finir, leur consommation en électricité est importante et fera gonfler votre facture d’électricité.
E] Phase Change
Ce système véhicule du gaz compressé qui change d'état, et qui passe d'un état liquide à un
état gazeux et inversement, en rapatriant la chaleur au passage. Ce système à base de
compresseur de frigo est très efficace car il permet de refroidir le processeur à environ -30°.
De plus, avec une bonne installation, le matériel n'est pas détérioré. Par contre, un système de
ce type est assez encombrant et plutôt bruyant et est soit réservé aux bricoleurs, soit aux gros
porte-monnaie : comptez 750€ minimum pour un phase change complet issu du commerce.
Sa faible disponibilité et son prix rendent ainsi ce système réservé aux experts qui cherchent à
refroidir le plus efficacement possible leur processeur tout en ne dégradant pas les composants
de l'ordinateur.
F)L’azote liquide
L’azote est une des solutions de refroidissement les plus performantes mais aussi une des
plus dangereuse et apportant le plus de contraintes (condensation,cold bug,risque pour
l’utilisateur et pour le matériel) . Elle permet d’atteindre des températures environnant
les -200c° ! Cette technique est réservé aux personnes désirant overclocker leur
processeur et aux personnes expérimentés.
II) …Par le watercooling
1)Histoire et intérêt:
Le refroidissement liquide ou watercooling est utilisé depuis de nombreuses années par l’industrie de pointe mais
n’est apparu dans les PC que très récemment.
Ce système de refroidissement utilisé auparavant dans les supercalculateurs de l’armée est assez peu commun
dans un ordinateur personnel et a vu le jour grâce a une petite communauté, littéralement appelée « power user ».
En effet au départ ce sont ces gens qui ont développé ce système de refroidissement pour pouvoir accroître la
vitesse et les performances du PC afin d’obtenir un ordinateur haut de gamme tout en le payant le prix d’un
ordinateur milieu de gamme.
Le Watercooling possède de nombreux avantages par rapport au traditionnel refroidissement par air. Il élimine
pour ainsi dire tous les inconvénients de cette méthode de refroidissement, c'est à dire le bruit et le manque de
performance.
A- les performances :
L'eau a une bien meilleure capacité que l'air a transférer la chaleur (30fois plus caloporteur). Cela veut dire qu'il
faudra un volume d'eau bien plus faible qu'avec de l'air pour transférer une quantité de chaleur donnée.
En clair, l'eau prendra plus facilement plus de chaleur dans le waterblock que l'air dans le radiateur. ,il semble
que l’on se retrouve avec un radiateur et de l'air qui circule dessus comme en air cooling , mais grâce a la
capacité thermique de l'eau, on a pu transporter cette chaleur du dessus du cpu, qui est un endroit exigu,ou l'on
manque de place, vers un autre endroit spacieux. du coup la surface de notre radiateur de watercooling est bien
plus importante que celle du radiateur d 'aircooling...
Or, la surface de contact avec l'air est un facteur capital dans les performances de tout radiateur... Etant donné
que les radiateurs de watercooling sont prévus pour avoir la plus grande surface de contact avec l'air dans le plus
petit volume possible, on devine bien que leur capacité de dissipation de la chaleur dans l'air est très
importante... Sans compter qu'en général on a la place pour au moins un ventilateur de 120mm quand on se
contente de ventilateurs de 80 voire 92mm en aircooling...
Mais la question du ventilateur nous amène a la deuxième raison qui pourrait donner envis passer au
watercooling:
B- le silence:
Presque tout le monde a un jour pesté contre le ventilo de son cpu qui casse les oreilles a tout le monde... Mais
on met de gros ventilos sur les rads de watercooling, donc vous devez vous dire que cela revient au même...
Eh bien justement non!!! Pour ce qui est des ventilateurs, plus le diamètre des pales sera grand, plus il brassera
d'air, ce qui est logique. Un 120 brassera plus d'air qu'un 80mm, c'est évident. Mais en toute logique, il aura donc
besoin de tourner moins vite pour brasser un volume d'air donné... en gros, un ventilateur de 120mm tournera
bien plus lentement qu'un 80mm pour faire circuler 40CFM...
De plus, le ventilateurs les plus larges ont tendance a produire des bruits moins gênants que les petits, qui eux
font des bruits aigus très désagréables...
Mais en plus va pouvoir sous volter nos ventilos sans que ça ne pose probleme... et un ventilo de 120mm a 5
volts tourne vraiment lentement et est pratiquement inaudible...
La pompe du watercooling quand a elle produit généralement très peu de bruit, ce qui fait qu'on a presque
aucune source de bruit dans un watercooling...
La pompe peu également être immergée dans l'eau du watercooling, la rendant inaudible, et il est également
possible de supprimer le ventilateur du radiateur, même si ça n'a que peu d'intérêt vu le bruit quasi nul que
produira un ventilo de 120 a 5V... Mais même ainsi les performances restent très bonnes et en général
supérieures a celles de l'air cooling...
C- Esthétique:
En effet autre que les performances et le silence un critère esthétique est très reconnu au watercooling pour la
création de MOD (MOD : Boîtier modifié dans un but esthétique et d’unicité du boîtier, équivalent au tuning en
voiture)
2) Composants et fonctionnement :
A) Composants:
a) La pompe :
Qui dit circulation d’eau dit obligatoirement pompe !Au départ les pompes utilisées en
watercooling provenaient, essentiellement, du domaine de l’aquariophilie. C’était autrefois
les seules pompes assez petites pour être intégrée dans une tour et assez puissantes.
Aujourd’hui on trouve toutes sorte de pompe prévu pour le watercooling sur le marché.
Ce qui va différencier une pompe d’une autre, c’est le débit qu’elle va fournir. On va trouver
des pompes qui débitent 90 l/h pour certains kits bas de gamme jusqu’à certaines qui montent
jusqu’à 1200 l/h..
b)Le radiateur :
L’eau est chargée de chaleur, il va falloir la refroidir; et c’est le radiateur qui va se charger de
cette opération. Le radiateur de watercooling fonctionne exactement de la même manière que
les radiateurs de voiture. L’eau va serpenter dans des tubes qui sont constitués d’ailettes pour
y être refroidie. Et ce qui va refroidir un radiateur, ou plutôt l’eau qui y circule, est l’air qui
est injecté sur les ailettes.. Ainsi un radiateur est toujours couplé à un deux , voir même trois
ventilateurs pour les triple radiateur (très performent), dans la plupart des cas, de 120mm (ou
80mm pour les modèles moins performent).
On recherchera toujours des radiateurs entièrement en cuivre (c’est le métal qui conduit le
mieux la chaleur), car certains ne sont assemblés que d’aluminium (moins
conducteur que le cuivre). On portera aussi de l’importance à l’épaisseur, le type de
ventilateur compatible (80mm ou 120mm) ainsi que la longueur du radiateur (radiateur
simple, double, voir triple).Un radiateur simple de 80mm sera évidemment moin performent
qui triple avec trois ventilateur de 120mm !
Il existe également des radiateur passif qui permettent un silence parfait au détriment de
l’intégration (beaucoup plus grand !) et souvent des performances.
d) Le waterblock :
Un waterclock est une pièce généralement en métal que l'on place en contact de la pièce a refroidir (CPU, GPU, Chipset,
Disque Dur...) et qui a pour rôle d'absorber la chaleur de la pièce a refroidir et de transmettre cette énergie thermique au
liquide caloporteur (eau, liquide de refroidissement...).
e) Le réservoir :
Le réservoir rempli d’eau sert à disposer d’une grosse quantité d’eau car qui dit grosse
quantité d’eau dit simplement plus grosse quantité d’eau à chauffer, donc avoir de l’eau
relativement froide plus longtemps. Le réservoir à également pour tache de purger le système
des bulles d’airs qui le composent et qui peuvent nuire au bon fonctionnement du système. Le
réservoir est indispensable car il est impossible de remplir et de vidanger le système sans sa
présence.
f) tuyaux :
Il faut bien évidemment relier tous ces composants entre eux. On choisira son tuyau en
fonction de son diamètre, et par-là même occasion de la taille de ses embouts. Un diamètre
important est à privilégier, car il offrira un débit plus important et moins de pertes de charge.
On trouve majoritairement des tuyaux offrant des diamètres de 8mm en interne et 10mm en
externe, 10 internes et 12 externes ou 12 internes et 14 externes.
B) Fonctionnement:
4)Conclusion
Le watercooling qui était autrefois dédié à une élite se démocratise pour devenir la méthode de refroidissement
universel …
En contre partie le refroidissement liquide est d’une mise en place plus délicate car il nécessite plus d’éléments,
en effet alors que le refroidissement à air ne nécessite qu’un radiateur surmonté d’un simple ventilateur.
Le watercooling est le refroidissement du futur :
Les applications sont de plus en plus gourmandes en ressources, il suffit pour s’en rendre compte de regarder la
configuration minimale nécessaire à chaque nouvelle version de Windows (la puissance nécessaire pour une
bonne marche du système double quasiment à chaque nouvelle version) d’où le besoin de processeur plus
puissant gravé avec une technologie de plus en plus fines. Cela a pour effet d’augmenter considérablement le
dégagement calorifique tout en réduisant la surface d’échange entre le CPU et le système de refroidissement.
D’autre part la résistance de l’eau aux calories est très nettement inférieur à celle de l’air, ce qui signifie que la
chaleur dégagée par le CPU sera évacuée beaucoup plus efficacement.
III) Notre projet
1) Notre watercoling :
Durant 18 semaines nous avons travaillé sur un watercooling nommé l’aquariusIII de la marque thermaltake.
Equipé d’un ventilateur et d’un radiateur de 80mm couplé à un waterblock aluminium, donc en théorie un
watercooling « basse performances ».
Notre watercooling se présente sous forme d’une watercase ( watercase : watercooling simplifié et intégré à une
sorte de boitier indépendant permettant une installation et une intégration plus simple).
La Watercase :
L’installation :
2) Démontage:
Le démontage nous à très vite confirmé que nous avions à faire à un vrai watercooling…
Légende :
-Radiateur 80mm et ventilateur
-Pompe/Réservoir
-Afficheurs LCD/Sondes
3) Prise de températures:
Afin de pouvoir réellement comparer les performances du watercooling à celles d’un basic aircooling nous avons
relevé sur le même ordinateur les températures avec les deux systèmes en poussant le processeur à une activité
maximale. Le processeur équipé d’un sonde nous donné une température.
Sonde sur waterblock :
Les températures relevées :
NB : L’espace entre deux points correspond à un intervalle de 2minutes.
Nous nous rendons compte que la différence de température entre un watercooling « bas de gamme » et une
solution d’air-cooling est très grande ! Le watercooling semble donc être incontestablement destiné aux
processeurs du futur qui ne cesseront d’augmenter en dissipation calorique et aux overclocker .
Overclocker : Personne pratiquant l’overcklocking (**L’overclocking
est une pratique consistant à faire
fonctionner des composants électroniques (notamment des microprocesseurs, ou des cartes
graphiques) à une fréquence d'horloge supérieure à celle pour laquelle ils ont été conçus et/ou
validés.)
Informations :
Overclocker : Personne pratiquant l’overcklocking.
L’overclocking
est une pratique consistant à faire fonctionner des composants électroniques
(notamment des microprocesseurs, ou des cartes graphiques) à une fréquence d'horloge
supérieure à celle pour laquelle ils ont été conçus et/ou validés.
Effet Joule : PJ = R x I²
I : Intensité du courant
R : Résistance du composant