Des chercheurs suisses veulent rendre les centres de données liés à l’IA plus durables

Le refroidissement durable des centres de données est le plus grand défi de l’avenir. Keystone

L’essor de l’intelligence artificielle oblige le secteur à repenser les méthodes de refroidissement des data centers. Des chercheurs suisses développent des technologies qui promettent de réduire la consommation d’énergie et d’eau. Mais un meilleur refroidissement peut-il réellement résoudre le problème de l’empreinte environnementale croissante de l’IA?

Au cœur du centre de données de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), de puissants ventilateurs soufflent de l’air froid à travers les rangées de serveurs. Un bourdonnement constant emplit la salle. Mais cette installation est plutôt silencieuse, assure Remco van Erp, cofondateur et patron de la start-up suisse Corintis.

«Dans un grand centre de données, il faut porter des protections auditives», souligne-t-il. Ici, ce n’est pas le cas.

Selon Remco van Erp, le niveau sonore relatif est dû au fait que l’installation recourt moins à la ventilation à grande vitesse que les centres de données conventionnels. C’est justement la recherche d’alternatives aux méthodes de refroidissement traditionnelles qui l’a amené, avec sa start-up, à l’EPFL. Alors que l’intelligence artificielle alimente un boom mondial des centres de données, la start-up suisse et l’université collaborent pour réduire la consommation d’électricité et d’eau nécessaires au fonctionnement de ces installations.

«Les gens pensent que l’IA est essentiellement un service gratuit, à l’empreinte écologique relativement faible. En réalité, son empreinte environnementale est considérable», souligne le professeur Mario Paolone, à la tête du laboratoire des systèmes électriques distribués (DESL).

À l’heure actuelle, les data centers représentent environ 1,5% de la consommation mondiale d’électricité. La demande devrait quasiment atteindre les 3% d’ici 2030, selon l’Agence internationale de l’énergie. Selon une étude récenteLien externe des Nations unies, l’empreinte hydrique des centres de données devrait plus que doubler au cours de la même période.

Le professeur compare un centre de données à une immense machine qui convertit l’électricité en chaleur. Chaque requête adressée à l’IA consomme de l’énergie; presque toute cette énergie se transforme ensuite en chaleur, qu’il faut évacuer au moyen de systèmes de refroidissement à air ou, de plus en plus souvent, à liquide.

Face à cette demande croissante en électricité et en eau, l’opposition à la construction de nouveaux data centers grandit partout dans le monde, y compris en Suisse. Récemment, l’État de New York est devenu le premier État américain à imposer un moratoire d’un anLien externe sur la construction de nouveaux centres de grande envergure.

«Nous ne pouvons pas nous passer des centres de données: ils alimentent la quasi-totalité des services numériques que nous utilisons, explique Remco van Erp. Le défi consiste à les rendre beaucoup plus efficaces.» Pour les chercheurs de l’EPFL et de Corintis, la réduction de la demande en électricité et en eau passe avant tout par la puce informatique, l’un des composants les plus petits, mais les plus chauds, d’un centre de données. Leur objectif est de refroidir les processeurs plus efficacement, puis de récupérer la chaleur résiduelle pour chauffer des bâtiments ou produire de l’électricité.

Mario Paolone (EPFL) et Remco van Erp (Corintis) expliquent leurs efforts pour rendre les centres de données plus durables:

Tout commence par la puce

Depuis des décennies, la méthode standard pour empêcher la surchauffe des processeurs consiste à faire circuler d’énormes volumes d’air froid à travers les serveurs. Mais aujourd’hui, les serveurs d’IA concentrent une puissance de calcul sans précédent dans desracksde plus en plus denses. Ils génèrent ainsi bien plus de chaleur que les systèmes conventionnels.

L’eau transférant la chaleur bien plus efficacement que l’air, le secteur s’oriente vers le refroidissement par liquide pour ses serveurs.

Le patron de Corintis a commencé à travailler dans le domaine du refroidissement des puces il y a une dizaine d’années.

«J’étais en quelque sorte un plombier travaillant avec des concepteurs de puces, raconte-t-il. Alors que les puces gagnaient en puissance, j’essayais de comprendre ce qui limitait leur refroidissement.»

«Chaque puce est comme un paysage urbain unique.» Remco van Erp, cofondateur et PDG de Corintis, s’efforce d’améliorer l’efficacité du refroidissement direct de chaque puce. EPFL

Selon lui, l’un des facteurs limitants réside dans l’approche uniforme appliquée aux puces.

«Chaque puce est semblable à un paysage urbain unique», explique-t-il. En fonction de l’architecture du processeur et de sa charge de travail, certaines zones deviennent beaucoup plus chaudes que d’autres. Au lieu d’utiliser des canaux de refroidissement identiques pour chaque processeur, Corintis conçoit des systèmes de refroidissement adaptés à «l’empreinte thermique» de chaque puce, explique encoreRemco van Erp. Selon lui, cela permet de réduire d’environ 20% la consommation électrique nécessaire au refroidissement par groupe frigorifique.

Fondée en 2022, sa start-up lausannoise teste actuellement sa technologie à l’EPFL ainsi qu’auprès decertaines des plus grandes entreprises technologiques mondiales. Le seul partenaire dont le nom a été rendu public: Microsoft. Corintis va porter sa production à un million de plaques de refroidissementpar an et prévoit des déploiements à grande échelle à partir de 2027, indique le patron. Qui souligne que la solution proposée par l’entreprise coûte moins de 1% du prix d’une puce d’IA de pointe.

Transformer la chaleur résiduelle en ressource

Le refroidissement des puces, dont la température peut atteindre 100°C, n’est que la première étape. Se pose ensuite la question de savoir comment évacuer la chaleur du data center.

Dans les centres de données à refroidissement liquide actuels, l’eau circule généralement dans des boucles fermées à une température comprise entre 20°C et 30°C. La chaleur accumulée à l’intérieur des serveurs doit ensuite être évacuée hors du bâtiment. Dans de nombreux centres, elle est transférée, via des échangeurs de chaleur, vers des tours de refroidissement par évaporation. Là, un flux d’eau, distinct de celui circulant à l’intérieur des serveurs, est évaporé pour rejeter la chaleur dans l’atmosphère.

Comment l’EPFL refroidit-elle son centre de données?

Le système de refroidissement de l’EPFL repose sur plusieurs circuits de liquide interconnectés.

L’eau pompée dans le Léman alimente le réseau de refroidissement du campus. Elle n’entre jamais en contact avec les serveurs: elle échange de la chaleur avec le système de refroidissement du centre de données par le biais d’échangeurs thermiques. L’eau du lac est ensuite rejetée dans la rivière de la Sorge, qui se jette à son tour dans le lac. Son débit et sa température sont surveillés en permanence via un portail en ligne accessible au publicLien externe.

À l’intérieur du centre de données, de l’eau ou d’autres fluides de refroidissement circulent dans des boucles fermées, évacuant la chaleur des puces avant de revenir pour recommencer le cycle. En fonctionnement normal, ces fluides ne sont ni consommés ni rejetés, explique Xavier Ouvrard, spécialiste des systèmes informatiques au centre de recherche EcoCloud de l’EPFL.

Le refroidissement par évaporation étant très gourmand en eau, le secteur s’oriente vers des températures de refroidissement plus élevées, de 45°C environ. Cela permet une meilleure utilisation du refroidissement à sec, qui repose sur l’air ambiant pour refroidir les fluides.

Mais Mario Paolone et Remco van Erp veulent aller plus loin. «Nous contrôlons délibérément le refroidissement direct des puces pour extraire la chaleur à une température comprise entre 70 et 75 degrés, explique le professeur de l’EPFL. Cette température plus élevée facilite la réutilisation ou la conversion de la chaleur.»

«Beaucoup de gens pensent que l’IA est pratiquement un service gratuit ayant un faible impact sur l’environnement. En réalité, son empreinte écologique est considérable», explique Mario Paolone, professeur à l’EPFL. EPFL / Alain Herzog

Refroidir un processeur avec de l’eau chaude pourrait sembler contre-intuitif. Mais selon Remco van Erp, plus la chaleur est évacuée efficacement de la puce, plus le liquide de refroidissement peut être chaud.

Au lieu d’être rejetée dans l’atmosphère sous forme de déchets, cette chaleur peut être réutilisée. C’est le principe sur lequel repose «Heating Bits». Dirigé par Mario Paolone, ce projet de l’EPFL teste des moyens de réduire l’empreinte carbone des centres de données tout en permettant aux serveurs de continuer à effectuer les opérations informatiques pour les chercheurs du campus.

En hiver, la chaleur récupérée peut alimenter le réseau de chauffage urbain de l’EPFL. En été, lorsque la demande de chauffage diminue, une partie de la chaleur peut être reconvertie en électricité grâce à une technologie spécifique capable de produire de l’électricité à partir de la chaleur, appelée «cycles de Rankine organiques».

Le refroidissement par liquide, incontournable, mais insuffisant

Les technologies mises au point à l’EPFL semblent prometteuses. Mais peuvent-elles être déployées à grande échelle et réduire de manière significative l’empreinte environnementale mondiale des centres de données dédiés à l’IA?

Depuis des décennies, le chercheur indépendant Jonathan Koomey étudie la consommation énergétique des centres de données. Le refroidissement par liquide devient incontournable pour l’IA, reconnaît l’Américain. «Lorsque l’on atteint les densités de puissance des nœuds d’IA actuels, l’air ne suffit plus à évacuer la chaleur.»

Mais le refroidissement des puces ne représente que la moitié du problème, insiste-t-il; un centre de données peut utiliser un refroidissement par liquide très efficace à l’intérieur des serveurs tout en continuant à recourir à des systèmes de refroidissement gourmands en eau pour l’installation elle-même.

Conséquence: la consommation d’eau varie énormément d’un centre de données à l’autre. Jonathan Koomey cite une étude scientifiqueLien externe récente selon laquellela consommation annuelle d’eau peut varier d’un facteur 10’000 selon la conception de l’installation, son emplacement, sa charge de travail et ses conditions d’exploitation. «C’est un domaine complexe, qui implique de nombreux compromis», explique-t-il.

Shaolei Ren, professeur àl’Université de Californie à Riverside, est du même avis. Le refroidissement direct des puces peut réduire les besoins en énergie et en eau, mais uniquement si la totalité de l’installation est conçue pour gérer efficacement la chaleur, explique-t-il. «Il serait faux d’affirmer qu’à lui seul, le refroidissement direct des puces réduira nécessairement la consommation d’énergie et d’eau.»

Jonathan Koomey met également en garde contre un autre problème susceptible d’occulter ces gains d’efficacité. Les entreprises spécialisées dans l’IA continuent de réinvestir dans des modèles plus puissants et des performances de calcul accrues à moindre coût, ce qui contribue à stimuler la demande en services d’IA.

«Nous assistons à une augmentation massive de la demande en services de calcul pour l’IA, ce qui annule les gains en matière d’efficacité énergétique, explique-t-il. Cette tendance peut-elle perdurer? Personne ne le sait.»

Même si tous les centres de données gagnaient en efficacité, aucune technologiene permettrait de contrôler la vitesse à laquelle la demande en calcul IA va croître.

Pour Mario Paolone, la question fondamentale est la suivante: «dans le cadre de la transition énergétique, pouvons-nous nous permettre la croissance actuelle de l’IA et des centres de données?»

Relu et vérifié par Gabe Bullard, adapté de l’anglais par Albertine Bourget