Lorsqu’on regarde la courbe des performances des CPU d’ordinateurs en fonction de l’année de production, une variante de celle qui est connue sous le nom de "Loi de Moore", on s’aperçoit que la vitesse d’horloge, qui était de 3 GhZ en 2002, était de … 3 GHz en 2007, quand elle aurait dû être de 24 GHz ! Une des raisons de cette stagnation – à laquelle on a remédié en augmentant le nombre de cores – est à chercher dans l’augmentation de la puissance dissipée, et donc de la température, dans les processeurs, au fur et à mesure que leur taille diminue. Le problème touche à la fois les performances, car les courants de fuite aux portes des transistors augmentent exponentiellement avec la température, et le coût de fonctionnement, notamment des grandes centrales de données, où les coûts liés au refroidissement des machines dépassent parfois le coût d’achat des machines elles-mêmes. De plus, il serait parfois intéressant de pouvoir refroidir le processeur, ou la puce à ADN, ou tout autre micro appareil localement, et sur demande, en fonction de l’activité et des flux de chaleur instantanés.

Les solutions proposées utilisent l’effet thermoélectrique ou effet Peltier. Découvert en 1834 par Jean-Charles Peltier, ce phénomène physique dépend du fait que dans un conducteur les porteurs de chaleur et d’électricité sont la même entité, l’électron ; en même temps, la quantité de chaleur transportée par unité de charge est fonction du matériau. Si l’on réalise une jonction entre deux conducteurs, et si l’on applique une différence de potentiel aux extrémités de la jonction, on obtient un courant électrique, qui est évidemment continu à travers la jonction. Le courant de chaleur, quant à lui, n’est pas, en général, le même dans les différents matériaux : le flux de chaleur est donc discontinu à la jonction, ce qui se traduit par l’apparition d’une source ou d’un puit de chaleur, selon le sens du courant. La jonction peut donc fonctionner comme pompe de chaleur. Une autre façon de décrire le mécanisme est la suivante : à l’équilibre, les niveaux de Fermi des deux matériaux s’égalisent, et des électrons sont transférés d’un matériau à l’autre. Ceci crée un champ électrique qui s’oppose au passage des électrons, et permet d’atteindre un état stationnaire. En polarisant la jonction, les électrons doivent surmonter une différence de potentiel électrique additionnelle. Si elle renforce le champ électrique initial, les électrons doivent dépenser plus d’énergie pour la surmonter, et l’on extrait de la chaleur.

Le refroidissement ainsi obtenu peut atteindre 40°C, et les modules Peltier sont utilisés dans beaucoup d’applications qui demandent un refroidissement efficace avec peu d’encombrement : frigos portables, caméras, satellites et autres engins spatiaux… et composants d’ordinateurs. Deux matériaux qui sont souvent utilisés dans les thermocouples (dont le fonctionnement est basé sur un autre effet thermoélectrique) sont le tellure et le bismuth. Récemment, un article dans Nature Nanotechnology annonçait la réalisation d’un module Peltier constitué d’une structure multicouche à films minces dans laquelle des super réseaux de tellurure de bismuth et de tellurure d’antimoine (de type p) alternent avec des super réseaux à base de tellurure de bismuth pur et dopé au sélénium (de type n). La structure est déposée par épitaxie en phase vapeur aux métallo-organiques, sur un substrat de GaAs.

L’avantage de ce module thermoélectrique par rapport à ceux déjà réalisés à base de silicium et de germanium n’est pas tellement dans l’efficacité, puisque les auteurs de l’article, déclarent un refroidissement d’environ 15°C, encore loin des 40 degrés théoriquement possibles. En effet, les composants Si/Ge montrent en général une forte dégradation de performances une fois intégrés à l’arrière de la puce, ce qui n’est pas le cas du nouveau composant.

La technique, sûrement prometteuse, a été mise au point dans les laboratoires d’Intel en Arizona, en collaboration avec Arizona State, et deux entreprises de Caroline du Nord.

Source :

– "On-chip cooling by superlattice-based thin-film thermoelectrics", Nature Nanotechnology, 25 Janvier 2009. DOI: 10.1038/NNANO.2008.417
– "Researchers cool CPU with nano-size firdges", Computerworld – https://www.computerworld.com/action/article.do?command=viewArticleBasic&taxonomyName=Processors&articleId=9127051&taxonomyId=162&pageNumber=1

Travaux similaires :
– "AMD Drives Integrated Peltier Cooling into Chips", Xbitlabs – https://www.xbitlabs.com/news/coolers/display/20041022085709.html
– https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_copper_pillar_bump#Thin-film_thermoelectric_technology

Pour en savoir plus, contacts :

– https://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_cooling
– https://en.wikipedia.org/wiki/Computer_cooling
– Site Intel Arizona : https://www.intel.com/community/arizona/
– Site de RTI International : https://www.rti.org/
– Site de Nextremal Thermal Solutions : https://www.nextremethermal.com/
Code brève
ADIT : 58133

Rédacteur :

Alberto Pimpinelli, [email protected]