Cette semaine, la revue Nature fait état d’une impressionnante percée dans le domaine de l’électronique. Une équipe de l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) y affirme avoir fabriqué une puce électronique intégrant directement un système de refroidissement, pour une dissipation thermique 50 fois plus performante que les records en la matière.

C’est un phénomène inévitable: l’électronique génère de la chaleur, et même de plus en plus. Depuis cinquante ans, la miniaturisation a permis de fabriquer des puces intégrant toujours plus de transistors par centimètre carré, ce qui a conduit à une augmentation des flux de chaleur, c’est-à-dire de la chaleur produite par unité de surface.

[Cette] méthode surclasse les techniques les plus sophistiquées

Tiwei Wei, Institut de microélectronique et composants de Louvain

Le phénomène s’observe dans de nombreux domaines, surtout dans celui de l’électronique de puissance où des transistors gèrent la transmission et la conversion de puissants courants électriques, par exemple dans les gros blocs d’alimentation ou encore les voitures électriques.

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Le refroidissement, l’autre gouffre énergétique des «data centers»

Le hic? L’électronique et la chaleur ne font pas ménage. «Nous arrivons à un point où la gestion thermique de l’électronique pose problème, des microprocesseurs aux panneaux solaires, et surtout dans les data centers», ces grandes fermes de serveurs informatiques, affirme Elison Matioli, directeur du PowerLab de l’EPFL et coauteur de ces nouveaux travaux. Aux Etats-Unis, leur refroidissement nécessite chaque année autant d’eau et d’énergie que la consommation domestique d’une ville de la taille de Philadelphie et son million et demi d’habitants.

Le refroidissement des composants est donc capital. Pour ce faire, on dissipe la chaleur avec des ventilateurs, des dissipateurs métalliques ou encore de systèmes de refroidissement liquide. Mais on touche aux limites de ces solutions qui n’empêchent pas l’air aux alentours de chauffer, fait valoir Elison Matioli. Une alternative consiste à fabriquer les composants électroniques en intégrant directement le système de refroidissement, ce qui permet de capturer la chaleur directement à la source, autrement dit bien plus efficacement.

Microfluidique

Plusieurs designs sont actuellement étudiés au sein de la microfluidique, une discipline qui consiste à manipuler les fluides à de minuscules échelles. L’approche de l’équipe suisse repose sur l’intégration de canaux de quelques micromètres directement sous la puce.

A l’intérieur circule de l’eau qui capte la chaleur émise par les transistors situés juste au-dessus. La disposition des canaux a été spécialement étudiée pour optimiser le refroidissement: toute la surface de la puce est quadrillée de sorte que chacun des transistors microscopiques est individuellement refroidi, ce qui est bien plus efficace que les systèmes habituels, qui travaillent à l’échelle de la puce entière.

Les auteurs ont implémenté leur design dans un module d’électronique de puissance qui convertit un courant alternatif en un courant continu, et en ont mesuré l’efficacité. Avec une énergie de 0,57 watt par centimètre carré (W/cm2), ils ont pu dissiper des flux de chaleur de 1700 W/cm2.

«Le coefficient de performance obtenu est de l’ordre de 10 000», résume Elison Matioli, ce qui signifie que le système dissipe 10 000 fois plus d’énergie qu’il n’en consomme, «une augmentation d’un facteur 50» par rapport aux meilleurs designs actuellement développés. Autre différence notable: leur module a la taille d’une petite clé USB, là où un même module refroidi de manière traditionnelle serait surmonté d’un imposant dissipateur grand comme un étui à lunettes.

«Ce travail est une importante étape vers des systèmes de refroidissement efficients, compacts et bon marché. Leur méthode surclasse les techniques les plus sophistiquées», écrit dans un commentaire Tiwei Wei, spécialiste à l’Institut de microélectronique et composants de Louvain, en Belgique.

Grâce à ces performances hors du commun et à la miniaturisation autorisée, «on peut pour la première fois intégrer de l’électronique de puissance dans une puce», assure le scientifique. De quoi laisser entrevoir un impact sur l’industrie, qui pourrait en tirer profit et mettre au point des chargeurs ou des panneaux solaires beaucoup plus fins que ceux existant. Et pourquoi pas des data centers moins enclins à la surchauffe? «Il faudra identifier l’application la plus adaptée pour tester cela à plus grande échelle», avance Elison Matioli.