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.