Test comparatif des différents systèmes de refroidissement informatique s appliquant au processeur

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1 Test comparatif des différents systèmes de refroidissement informatique s appliquant au processeur Samuel HERMANN & Benjamin BERGIA Thème choisi: Création et produits Sous-thèmes : Analyse concurrentielle, test et validation d'une solution, confrontation de modèles Problématique: Comparatif des différents systèmes de refroidissement informatique s'appliquant au processeur. Réalisations : Système de refroidissement liquide (Watercooling), site-web, présentation PowerPoint. Vendredi 10 Mars 2006

2 Table des matières Test comparatif des différents systèmes de refroidissement informatique s appliquant au processeur... 1 Table des matières... 2 I Pourquoi le refroidissement du CPU est obligatoire Les contraintes d intégration Les raisons de l échauffement L intérêt du refroidissement... 4 II Présentation des différents systèmes Les systèmes s appliquant au processeur Le passif Ventirads (ventilateur + radiateur) Refroidissement liquide (appelé aussi watercooling) Exemples de systèmes plus extrêmes Le Refroidissement en bain d huile Plaque à effet Peltier Phase Change Azote Liquide Les tests effectués Test des différents systèmes de refroidissement Tests d une configuration complète III Conclusion Quel système et pour qui? Système passif Système Ventirad Refroidissement liquide Le futur du refroidissement en informatique IV Lexique V Références Vidéos S.HERMANN & B.BERGIA TPE : systèmes de refroidissement 2

3 I Pourquoi le refroidissement du CPU est obligatoire 1.1 Les contraintes d intégration Tous les systèmes de refroidissement ne peuvent pas s intégrer dans les boîtiers, par manque de place. Le plus souvent certaines modifications permettent d y remédier, mais souvent au détriment de l esthétique. Nous avons eu des problèmes pour intégrer le radiateur du watercooling. Pour y remédier nous avons opéré des modifications à la carcasse qui ne sont pas visible une fois le boîtier refermé. La face avant a été découpée pour permettre d y accrocher le radiateur. Le radiateur a été fixé, dans un souci de propreté et de gain de performance, les câbles de l alimentation ainsi que de la connectique de façade ont été gainés. S.HERMANN & B.BERGIA TPE : systèmes de refroidissement 3

4 1.2 Les raisons de l échauffement 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 Il en déduisit le Principe de Moore et fonda quelques années plus tard le géant Intel. Ce principe 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. 1.3 L intérêt du refroidissement Les dernières générations de processeurs (en anglais CPU : Central Processing Unit) chauffent terriblement : de plus en plus de transistors sur une surface de plus en plus petite... Il faut donc bien refroidir, en évacuant la chaleur, sinon les microcircuits "fonderaient" très vite : un CPU fonctionnant sans refroidissement brûle en quelques secondes, sa température dépassant rapidement les 100 C. De manière moins dramatique, un processeur chauffant trop, car mal refroidit, va s'user plus vite. Il faut donc dissiper la chaleur du processeur et l'expulser, si possible sans trop de nuisances sonores S.HERMANN & B.BERGIA TPE : systèmes de refroidissement 4

5 II Présentation des différents systèmes 2.1 Les systèmes s appliquant au processeur L efficacité des systèmes dépend principalement de deux facteurs : la surface présentée au caloporteur et surtout la capacité du dissipateur à pomper la chaleur de l objet chaud, sa capacité à conduire celle-ci, sa conductivité. Et c est là qu intervient le choix du matériau à employer. En effet tous les matériaux sont loin d avoir une conductivité équivalente. Comme nous le montre le tableau ci-contre, on peut voir que les matériaux possédant la conductivité la plus importante sont le diamant, l argent. Mais leurs prix est prohibitif et sa densité très importante. Suivent le cuivre, l or, et l aluminium. Ce dernier est le matériau le plus largement utilisé, mais pas le plus efficace. Il constitue en effet un excellent compromis conductivité/légèreté/prix et c est pour cela qu il est difficile de trouver aujourd hui des dissipateurs employant d autres matériaux que l aluminium. Cependant, devant l augmentation du dégagement calorifique des microprocesseurs d aujourd hui, certains fabricants introduisent une solution mixte alu/cuivre avec un insert de cuivre en contact direct avec l élément à refroidir permettant ainsi de " pomper " plus rapidement la chaleur produite et de mieux la répartir sur tout le dissipateur. Ce tableau permet de mieux comprendre l omniprésence du cuivre dans les différents systèmes de refroidissement Matériau Conductivité (W/m*K) Densité (g/cm3) Aluminium Laiton 115 n/a Cuivre Or Magnésium Argent Air n/a Eau 0.61 n/a Diamant S.HERMANN & B.BERGIA TPE : systèmes de refroidissement 5

6 2.1.1 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. 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. Ce genre de refroidissement peine à refroidir les processeurs actuels. L utilisation de matériaux tels le cuivre et l aluminium grâce à leur conductivité thermique offre une nouvelle jeunesse à ce genre de refroidissement. Radiateur passif Thermalright XP Ventirads (ventilateur + radiateur) L air-cooling correspond à un refroidissement classique à air : un radiateur en contact avec le processeur permet de collecter la chaleur, laquelle est évacuée à l aide d un ventilateur. 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 Radiateur Thermalright XP-120 et Ventilateur Noiseblocker SX1 S.HERMANN & B.BERGIA TPE : systèmes de refroidissement 6

7 2.1.3 Refroidissement liquide (appelé aussi 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. Principe du Watercooling Ce système est particulièrement avantageux car il combine les performances et le silence. Son défaut majeur : sa mise en place assez complexe, 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. Exemple d un kit de refroidissement liquide commercial : Kit watercooling Gigabyte 2.2 Exemples de systèmes plus extrêmes Le Refroidissement en bain d huile Ce principe consiste à immerger tous les composants du PC dans de l huile. Les propriétés isolantes de cette huile permettent d éviter les cours-circuits et ses propriétés caloportrices offrent un refroidissement efficace et silencieux. Le Calypshuile S.HERMANN & B.BERGIA TPE : systèmes de refroidissement 7

8 2.2.2 Plaque à effet 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. Plaque Peltier 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. Système de refroidissement d'un kit commercial Vapochill d Asetek S.HERMANN & B.BERGIA TPE : systèmes de refroidissement 8

9 2.2.4 Azote Liquide Cette dernière méthode de refroidissement est à la fois extrêmement efficace et dangereuse. En effet, elle consiste à refroidir le processeur avec de l'azote liquide à 120 C. Ce montage est surtout utilisé pour réaliser des records de fréquences, car les microprocesseurs ne résistent pas longtemps à cette température. Une personne a réussi à atteindre avec un refroidissement de ce type plus de 7000 Mhz. Ce système n a d intérêt que dans les records de montée en fréquence. S.HERMANN & B.BERGIA TPE : systèmes de refroidissement 9

10 2.3 Les tests effectués Afin de comparer les systèmes de refroidissement les plus couramment utilisé, nous avons effectué toute une série de tests Test des différents systèmes de refroidissement Matériel utilisé dans l expérience : - PC - Carte d acquisition - 4 Sondes de température - 2 Alimentations 12V courant continu - 4 supports - récipient d eau chauffé à l aide d une résistance à 80 C - 4 plaquettes de cuivres de taille identique Pour mesurer les températures de chaque plaquette, une sonde de température a été fixée au dos de celle-ci. Nous avons porté la température des plaquettes de cuivre à 80 C à l aide de l eau chaude. Les plaquettes ont ensuite été fixées sur les supports ainsi que les différents systèmes de refroidissement. Le PC et le logiciel LATIS PRO ont permis de tracer le graphique de la température des différentes plaques en fonction du temps. S.HERMANN & B.BERGIA TPE : systèmes de refroidissement 10

11 On peut observer sur ce graphique que le système de refroidissement liquide est plus performant que le système ventirad. Le radiateur seul refroidit nettement moins bien que lorsqu il est couplé à un ventilateur. Ce graphique confirme nos premières impressions, à savoir que les system de refroidissement liquide est bien le plus performant, suivit de près par le couple ventilateur-radiateur. Le refroidissement passif offre des performances très en deçà de nos prévisions. L écart très faible entre le ventirad et le refroidissement liquide, nous a beaucoup surprit : peut être du aux imperfections de notre mesure. Mais ce tableau vérifie l ordre théorique des différents systèmes suivant leurs performances, du plus performant au moins performant : refroidissement liquide ventirad ventilateur passif S.HERMANN & B.BERGIA TPE : systèmes de refroidissement 11

12 2.4 Tests d une configuration complète Pour comparer les performances de refroidissement nous avons monté un ordinateur avec la configuration suivante. Lors de notre teste il nous a été impossible d évaluer le système de refroidissement passif car le processeur n aurai pu le supporter. Boîtier : Antec SLK1600-EC Alimentation : HEDEN 350Watts Carte mère : ASRock K7S8XE Processeur : AMD Mémoire vive : 256 Mo DDR-SDRAM PC2700 *3 Disque dur : Maxtor 160Go + refroidissement Zalman ZM-2HC2 Passif Afin d évaluer la température maximale du processeur nous utiliserons le logiciel OCCT. OCCT vient du mot "OverClock Checking Tool". Son but premier est de pouvoir tester et certifier si votre ordinateur est stable, généralement après l augmentation de la fréquence d origine (overclocking). OCCT est très utile pour déterminer si une machine est défectueuse ou non. OCCT inclut, en conjonction avec Motherboard Monitor 5, des fonctions de surveillance interne du PC, notamment au niveau des : - Températures (CPU et boitier) - Voltages (Alimentation et CPU). Ces deux logiciels vont nous permettre de d obtenir les températures de fonctionnement lorsque le processeur est en fonctionnement maximal pendant 30mn. S.HERMANN & B.BERGIA TPE : systèmes de refroidissement 12

13 Température du processeur Ventirad Watercooling La température du processeur avec le système Ventirad monte jusqu à 42 degrés. Avec le système de refroidissement liquide Watercooling, elle atteint un maximum de 34 degrés. Les paliers correspondent a la monté en charge du processeur. En effet ce dernier n est pas sollicité à son maximum dès le début du test. Mais il augmente progressivement, d où ces paliers pour atteindre sa pleine puissance de calcul. S.HERMANN & B.BERGIA TPE : systèmes de refroidissement 13

14 Température du boîtier Ventirad Watercooling La température du boîtier avec le système Ventirad monte progressivement et proportionnellement à l utilisation du processeur pour atteindre 35 degrés en 20 minutes. Avec le Watercooling, la température atteint 28 degrés en 10 minutes, mais elle diminue ensuite après 28 minutes d utilisation. En effet le système de refroidissement du Watercooling permet d expulser la chaleur émise vers l extérieur du boîtier. S.HERMANN & B.BERGIA TPE : systèmes de refroidissement 14

15 III Conclusion 3.1 Quel système et pour qui? 3.2 Système passif Le refroidissement passif peut être intéressant dans certains cas : - Pour une machine de faible puissance ou d ancienne génération - Toute autre utilisation demandant un minimum de nuisances sonores (exemple : configuration destinée à une utilisation home cinéma) Silence Performances Prix 3.3 Système Ventirad C est le système le plus utilisé. Il est formé d un radiateur ou viens se loger un ventilateur qui est le plus souvent vissé. Il permet à un moindre coût de refroidir n importe quel processeur, même de dernière génération. Rapport performances/qualité/prix Performances (moyennes) Nuisances sonores Poussière 3.4 Refroidissement liquide Le refroidissement liquide le plus utilisé est le refroidissement a eau couramment appelé watercooling.c est le refroidissement le plus onéreux mais il offre des performances de plus haut niveau, permettant un montage en fréquence du processeur. Ce système est toute fois plus complexe et réservé aux utilisateurs expérimenté tout fois ce système se démocratise de plus en plus avec les kits a monté ou les installations de refroidissement liquide chez des constructeurs haut de gamme tel Apple et Voodoo. Silence Performances Prix Intégration Entretien S.HERMANN & B.BERGIA TPE : systèmes de refroidissement 15

16 3.5 Le futur du refroidissement en informatique Le monde de l informatique évolue perpétuellement. La fréquence des processeurs, leurs fréquences, ainsi que leurs finesses de gravure ne cessent d augmenter. Parallèlement les utilisateurs cherchent les machines les plus silencieuses possibles, oubliant parfois qu il ne s agit que de compromis. Une machine très puissante, très silencieuse, consommant très peu et esthétique ne peut exister. A chaque besoin de l utilisateur, il existe une solution, solution répondant à ses besoins mais au détriment de caractéristiques qui lui importe peu. Dans cette optique, il nous apparaît qu aucun des systèmes n est mauvais : chaque système vise un utilisateur spécifique. Les demande des utilisateurs tendent à se rapprocher le plus possible du meilleur rapport performances/nuisances sonores. Pour une telle demande, il apparaît que le seul système approprié soit le refroidissement liquide : offrant des performances de haut vol et des nuisances sonore plutôt faibles, au détriment de la simplicité d utilisation, de la consommation électrique et de la facilité d intégration. Il parait impossible a première vue de produire des machine équipées ainsi mais la réalité est toute autre : certains constructeur de renom tels que Apple ou Voodoo l intègrent déjà dans leurs machines. Dans tous les cas ne nous voilons pas la face, à l heure actuelle ce genre de montage reste réservé aux machines haut de gamme mais ce sont les premiers signes d une démocratisation prochaine. S.HERMANN & B.BERGIA TPE : systèmes de refroidissement 16

17 IV Lexique BIOS : Basic Input Output System, logiciel dont une partie est dans une mémoire morte se chargeant de vérifier l état du matériel informatique au démarrage de l ordinateur. Cette mémoire se situe dans une puce de la carte mère Carte Mère : C'est la carte principale de l ordinateur qui reçoit le microprocesseur, la mémoire, le bus, des puces spécifiques et les connecteurs d extension (pour l'insertion des cartes additionnelles Core : Partie centrale du processeur contenant les transistors et dégageant le plus de chaleur. CPU : Central Processing Unit, synonyme de microprocesseur. Microprocesseur : Inventé en 1971 par Ted Hoff à Santa Clara pour le compte d'intel, contient des circuits électroniques intégrés imprimés sur une seule pastille de silicium Overclocking : Procédé consistant à faire tourner un microprocesseur à une vitesse d'horloge supérieure à celle pour laquelle il a été construit Socket : Emplacement où viens se loger le microprocesseur. Watercooling : Terme désignant le refroidisseur à eau. S.HERMANN & B.BERGIA TPE : systèmes de refroidissement 17

18 V Références Vidéos Ces vidéos on pu nous orienter sur des sujets à traiter dans le TPE. «Tom s hardware CPU Cooler Removed» Cette vidéo montre se qu il se produit lorsque le processeur n est pas refroidi. Dernière consultation le 06/03/ :50:42 «E-génération» sur GameOne le Jeudi 26 mai à 20h50 Ce documentaire présentait le tunning informatique, on pouvait y voir les différents systèmes de refroidissement intégré dans les PC. S.HERMANN & B.BERGIA TPE : systèmes de refroidissement 18

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