Immersion cooling : une technologie de refroidissement prometteuse pour les serveurs, à condition de la maitriser

Dans un contexte de densification des infrastructures numériques, avec l’arrivée des technologies telles que l’intelligence artificielle et le quantique, l’immersion cooling, ou refroidissement par immersion des serveurs, pourrait être une alternative prometteuse pour réduire la consommation d'énergie et d'eau des data centers, au côté d’autres technologies telles que le Direct Liquid Cooling (DLC). Conçue pour des besoins d’hébergement spécifiques, elle soulève un certain nombre d’interrogations.

Le point avec Georges Ouffoué, PhD informatique, responsable du Lab-by-APL, Nicolas Becquet, directeur de projets et Julien Molina, responsable du pôle optimisation énergétique chez APL. 

Qu’est-ce que l’immersion cooling ?

L’immersion cooling consiste à plonger entièrement les composants électroniques des serveurs dans un liquide diélectrique (une huile minérale afin d’éviter les courts-circuits et l'oxydation) pour les refroidir. Le refroidissement des serveurs est assuré par la circulation de l’huile par convection (naturelle, ou forcée par pompe), ce qui limite l’utilisation de systèmes de climatisation énergivores. Un système d’autant plus efficace que l’huile est un excellent conducteur de chaleur (bien plus que l’air).

Concrètement, la chaleur produite par les composants électroniques des serveurs (CPU, GPU...) est transférée à l'huile, qui elle-même évacue cette chaleur vers une boucle d'eau grâce à un échangeur. Les températures des boucles d'eau sont bien plus importantes que dans les data centers classiques. De fait, le besoin de climatisation (groupes froids) est considérablement réduit.

Des aérorefroidisseurs, souvent adiabatiques (par évaporation), permettent de rejeter directement cette chaleur à l'extérieur du data center. Ou, mieux, d’utiliser la chaleur des boucles d’eau pour chauffer des logements, des bureaux voire une piscine. Enfin, l’absence de ventilateur sur chaque serveur rend ces derniers également moins énergivores.

Dans quels cas le refroidissement par immersion est-il le plus pertinent ?

Dans les data centers, le principal cas d’usage du refroidissement par immersion est une situation de haute densité calorifique, c’est-à-dire un maximum de puissance de calcul dans un minimum d’espace. C’est le cas par exemple des solutions dédiées à l’intelligence artificielle (IA), aux jeux en ligne, mais également de tous les centres de données avec calculateurs HPC (laboratoires de recherche, aéronautique, finance pour certaines opérations spécifiques, santé…).

Certaines baies peuvent en effet aujourd’hui accueillir 50 kW, voire 100 kW ou plus. Dans ce contexte, l’immersion cooling devrait permettre de limiter drastiquement la consommation d’énergie électrique : les huiles synthétiques utilisées seraient capables d’absorber 1 500 fois plus d’énergie thermique que l’air, à volumes et températures isométriques.

Par ailleurs, les premières études environnementales (analyses du cycle de vie simplifiées) réalisées au Lab-by-APL avec la base NegaOctet sur un cas d’étude théorique, montrent que l’immersion cooling avec un liquide diélectrique à base de silicone engendrerait entre 30 et 50 % moins d’émissions de CO2 que le refroidissement classique (à détente directe) sur tout le cycle de vie (fabrication, transport, utilisation et fin de vie) des équipements et du liquide 

Quels sont les matériels compatibles avec l’immersion cooling ?

Les serveurs racks existants ne sont pas tous compatibles avec une solution immersive : d’une part, leur format ne s’adapte pas nécessairement aux unités de refroidissement à immersion (bain d’huile rectangulaire) et, d’autre part, la conception des serveurs traditionnels ne permet pas la circulation de l’huile.

Dans ce second cas, des modifications sont nécessaires, telles que la suppression des ventilateurs ou le remplacement de certains matériaux, tel que la pâte thermique qui doit être remplacée par un autre composant car elle se dissout dans n’importe quel liquide diélectrique. 

Quant aux disques durs, si les SSD sont nativement compatibles avec l’immersion cooling, les disques durs rotatifs traditionnels ne le sont pas, sauf à être conçus étanches ou certifiés par le constructeur.

La fibre optique « de base » n’est généralement pas compatible avec l’immersion. Pour pouvoir utiliser les connections fibre, il est nécessaire d’utiliser des caches spécifiques. 

Toutefois, plusieurs constructeurs commencent d’ores et déjà à proposer des serveurs compatibles avec l’immersion cooling (immersion-ready) dans leurs catalogues.

Existe-t-il des cas où l’immersion cooling pourrait ne pas être pas adéquat ?

Il s’agit principalement des data centers qui ont besoin d’une très forte agilité car les systèmes d'immersion cooling peuvent être moins mobiles que les infrastructures de refroidissement traditionnelles. Cela peut être le cas, par exemple, des fournisseurs d’infrastructure ou de cloud, qui ont besoin de changer rapidement et régulièrement des « petits » serveurs. Ce qui n’est pas forcément possible avec des serveurs immergés, du fait des précautions de manipulation nécessaires associées.

En outre, la maintenance des systèmes d'immersion cooling semble plus délicate en raison de la nécessité de manipuler le liquide diélectrique et de maintenir l'intégrité des systèmes scellés. Elle nécessite l’intervention de personnels formés pour maintenir ce type d’équipement, et pourrait requérir plus de temps et de matériels (bacs de fuite, chiffons et gants, blouse de laboratoire, chariot de service, etc.).

Par ailleurs, si certains liquides diélectriques sont conçus pour minimiser la corrosion, une évaluation approfondie des matériaux est toujours recommandée avant la mise en œuvre d'une solution d'immersion cooling.

Enfin, il n’existe pas encore de normes ou de standards régissant l’immersion cooling.

L’immersion cooling signe-t-il la fin du refroidissement des data centers par air ?

Les performances du refroidissement par immersion sont très intéressantes d’un point de vue théorique, en particulier dans les data centers à forte densité. Cependant, cette technologie comporte des contraintes, notamment en termes d’exploitation et de maintenance, qui la rendent plus adaptée à certains cas d’usage spécifiques.  Ainsi, le refroidissement par air reste, à ce jour, une solution alternative qui remplit son rôle pour les usages classiques.

En outre, il existe peu d’études (technico-économiques) approfondies ou de retours d’expérience sur des cas d’utilisation de l’immersion cooling réussis et maîtrisés à une échelle significative. Il convient donc de faire une évaluation approfondie des risques et des moyens mis en œuvre pour y remédier avant de mettre en œuvre cette solution. 

La recherche et l’innovation se poursuivent tandis que des initiatives de standardisation telles que celle de l’OCP (Open Compute Project) ont été lancées. À terme, ces initiatives permettront sans doute à la filière data center de maîtriser de bout en bout la conception, l’exploitation et la maintenance des infrastructures d’immersion cooling.