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Polissage : l'art de mieux refroidir

Page mise à jour le 05/02/2007 - ChtiGG et Mandorlo F.
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Sommaire :
  1. Introduction
  2. Le polissage au service de l'informatique
  3. Mise en pratique
  4. Quelques résultats
  5. Conclusion

2. Le polissage au service de l'informatique

Les principaux matériaux

Le polissage est une technique utilisée, essentiellement à but esthétique, dans la marbrerie, par les joailliers, les carrossiers, les dentistes... Dans le domaine de l´informatique son utilisation dépasse le simple plaisir de l´oeil.
Les composants électroniques, comme les processeurs (CPU), les cartes graphiques (GPU), les chipsets (NorthBridges et SouthBridges), chauffent de plus en plus à cause de la montée en fréquence conséquente qu´ils ont subit ces dernières années. Les industriels compensent ces élévations de la consommation électrique en améliorant la finesse de gravure de leurs composants, en fabriquant des radiateurs toujours plus performants et imposants, et en ventant les bienfaits du WaterCooling.
Pour qu´un composant se libère de son surplus de chaleur il faut le coupler à un système lui permettant de dissiper cet excédant. C´est le but des radiateurs, associés ou non à un ventilateur, et de tout autre bloc percé et traversé par un fluide (WaterCooling, VapoChill, HeatPipes etc.). Ces dispositifs sont fabriqués dans des métaux conduisant plus ou moins bien la chaleur. Les plus rencontrés sont le cuivre, connu depuis bien longtemps pour sa grande conductivité thermique (401 W.m-1.K-1), et l´aluminium (237 W.m-1.K-1). Le matériau le plus performant souffre par contre d´une densité nettement plus élevée avec 6.8 contre 2.7 pour l´aluminium. Ces deux métaux s´oxydent et donc ternissent au contact de l´air : l´aluminium se couvre rapidement d´une couche résistante et transparente d´oxyde d´aluminium (ou alumine) qui le protège de la corrosion et conserve donc sa couleur gris métallique d´origine. Sans un traitement spécifique, le cuivre se recouvre d´une couche d´oxyde de cuivre verdâtre (vert de gris) altérant considérablement son aspect. Dans les deux cas, les oxydes introduisent une résistance thermique conséquente : pour l´alumine on chute à 0.406 W.m-1.K-1 !
Actuellement la majorité des radiateurs sont constitués au minimum d´une base en cuivre recouverte de nickel en guise de protection, ce qui confère cette couleur proche de celle de l´aluminium.
Dans le cadre d´un polissage le cuivre est plus tendre et peut donc être travaillé plus facilement que l´aluminium.

Les dissipateurs : structure générale

Le choix du métal des différents éléments constitutifs d´un dissipateur n´est pas innocent : en général, les parties les plus proches du point chaud seront en cuivre, tandis que les zones d´échanges entre le métal et le gaz/liquide chargé d´évacuer la chaleur pourront éventuellement être en alumium. Globalement, c´est la surface d´échange qui intervient entre le métal et le fluide. L´eau étant un bien meilleur caloporteur, la surface est moindre avec ce fluide, ce qui explique la petite taille des Waterblocks en général.

Surface d´échange pour un waterblock Surface d´échange pour un dissipateur à air : XP90

Surface d´échange pour un waterblock à gauche et un dissipateur à air à droite

Dans le cas du dissipateur à air, les HeatPipes permettent d´évacuer et de déporter la chaleur loin du point chaud avec une très grande efficacité.

Principe d´un HeatPipe

Principe d´un HeatPipe : en rouge le transport de la chaleur, en bleu le flux de fluide à basse température (air ou liquide à changement de phase)

Influence des interfaces

S´il existe de nombreux de systèmes d´attaches permettent de fixer un radiateur sur un quelconque composant, le principal soucis provient du transfert du composant à refroidir vers un second dispositif. La conductivité thermique ne peut être optimale que si le contact entre les deux éléments est parfait, ce qui est possible avec deux surfaces parfaitement planes en contact. Malheureusement c´est loin d´être de cas dans la réalité, d´où l´utilisation de pâte thermique pour combler les défauts des surfaces, et donc les vides d´air (très fortement isolant d´un point de vue thermique), dans le but d´optimiser le transfert.

Allure d´un contact processeur/radiateur

Allure d´un contact processeur/radiateur avant polissage (à gauche) et après polissage (à droite)

Il paraît évident que l´utilisation de pâte est nécessaire, mais que toute solution limitant son utilisation sera d´autant plus performante. En effet, la meilleure pâte thermique du marché a une conductivité thermique voisine de "seulement" 10 W.m-1.K-1 (8.89 W.m-1.K-1 pour l´Arctic Silver 5) !
Le polissage consistera à améliorer le transfert thermique possible entre le composant et son radiateur, de sorte à minimiser l´utilisation de pàte, voire de s´en priver. Ceci permettra de revoir à la baisse la température du composant à refroidir, autorisant au final de réduire la vitesse des ventilateurs et/ou d´améliorer un OverClocking.

NB

On trouvera sur matbe.com un comparatif de 14 pâtes thermiques (lien).

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