Contexte académique

Avec le développement rapide de l’intelligence artificielle (IA), les dispositifs électroniques jouent un rôle de plus en plus important dans la vie moderne. Cependant, ces dispositifs génèrent une quantité importante de chaleur pendant leur fonctionnement, et si cette chaleur n’est pas gérée efficacement, elle peut entraîner une baisse des performances, une réduction de la durée de vie, voire une défaillance du système. Par conséquent, la gestion thermique est devenue l’un des défis clés pour le développement futur des dispositifs électroniques. Bien que les techniques traditionnelles de dissipation thermique soient efficaces, elles deviennent insuffisantes face à l’augmentation de la densité de puissance des dispositifs. En particulier, le problème du « silicium sombre » (Dark Silicon Problem) – où tous les transistors d’une puce ne peuvent pas fonctionner simultanément en raison de contraintes thermiques – aggrave encore la complexité de la gestion thermique.

Pour relever ce défi, une équipe de recherche de la Shanghai Jiao Tong University et de la Nanyang Technological University a publié un article intitulé “Passive Thermal Management of Electronic Devices” dans la revue Device. Cet article propose un cadre complet détaillant le rôle des différentes technologies de dissipation thermique dans les dispositifs électroniques, en mettant l’accent sur les technologies de refroidissement passif qui ne dépendent pas de la consommation d’énergie supplémentaire.

Origine de l’article

Cet article a été rédigé par Haoran Liu, Chun Yang et Ruzhu Wang, et a été publié en 2024 dans la revue Device. Liu et Wang appartiennent à l’Institut de réfrigération et de cryogénie de l’Université de Shanghai Jiao Tong, tandis que Yang est affilié à l’École d’ingénierie mécanique et aérospatiale de la Nanyang Technological University de Singapour. L’auteur correspondant est Ruzhu Wang, dont les recherches portent principalement sur le refroidissement solaire et la gestion thermique.

Contenu principal de l’article

1. Classification et évaluation des technologies de refroidissement passif

L’article commence par classer en détail les technologies de refroidissement passif, y compris les algorithmes de contrôle logiciel, le refroidissement par évaporation basé sur l’adsorption, le refroidissement radiatif vers le ciel et les matériaux à changement de phase (PCM). Ces technologies, basées sur différents principes physiques, réduisent efficacement la température des dispositifs électroniques sans nécessiter de consommation d’énergie supplémentaire. Par exemple, le refroidissement radiatif vers le ciel exploite le principe de l’émission de rayonnement infrarouge vers l’univers froid, tandis que le refroidissement par évaporation basé sur l’adsorption utilise des matériaux pour absorber et libérer de l’humidité afin d’évacuer la chaleur.

Preuves à l’appui

• Principe et applications pratiques du refroidissement radiatif vers le ciel (comme le refroidissement des lampes LED et des écrans pliables).
• Résultats expérimentaux du refroidissement par évaporation basé sur l’adsorption, montrant son efficacité dans les smartphones et les stations de base.

2. Application des algorithmes de contrôle logiciel

L’article explore également l’optimisation de la gestion thermique des dispositifs électroniques grâce à des algorithmes de contrôle logiciel. Ces algorithmes ajustent dynamiquement les paramètres de fonctionnement des dispositifs pour maximiser l’utilisation des capacités de refroidissement existantes, améliorant ainsi les performances sans modifier la conception matérielle. Par exemple, les algorithmes de contrôle prédictif par modèle (MPC) résolvent en ligne des problèmes d’optimisation pour déterminer les variables de contrôle à chaque pas de temps, garantissant que le dispositif fonctionne dans les limites thermiques.

Preuves à l’appui

• Exemples d’application des algorithmes MPC dans les dispositifs électroniques mobiles et les processeurs multicœurs.
• Efficacité des algorithmes d’apprentissage automatique (ML) dans le contrôle des plateformes de refroidissement par ventilateur et des processeurs multicœurs.

3. Gestion thermique intégrant matériel et logiciel

L’article souligne que les solutions de gestion thermique reposant uniquement sur le matériel ou le logiciel ont des limites. Ce n’est qu’en combinant les deux que l’on peut atteindre les performances optimales des dispositifs électroniques. Par exemple, les dissipateurs et les caloducs dans la conception matérielle peuvent efficacement conduire la chaleur, tandis que les algorithmes de contrôle logiciel peuvent optimiser les modes de fonctionnement des dispositifs pour éviter la surchauffe.

Théories à l’appui

• Classification et critères d’évaluation des technologies matérielles comme la conduction thermique, le refroidissement en boucle fermée et le refroidissement en boucle ouverte.
• Synergie entre les algorithmes de contrôle logiciel et la conception matérielle, soulignant la nécessité de solutions intégrées.

4. Orientations futures

L’article identifie également des pistes de recherche futures pour les technologies de refroidissement passif. Par exemple, la sortie de puissance de refroidissement du refroidissement par évaporation basé sur l’adsorption est discontinue, et concevoir des matériaux pour équilibrer la charge des dispositifs et la capacité d’adsorption est un enjeu important. De plus, la combinaison du refroidissement par évaporation basé sur l’adsorption et du refroidissement radiatif vers le ciel pourrait améliorer encore l’efficacité du refroidissement.

Points de vue à l’appui

• Conception et optimisation des matériaux d’adsorption, comme les réseaux métal-organiques (MOFs) et les composites à base de sel.
• Innovation dans les matériaux de refroidissement radiatif vers le ciel, comme le développement d’émetteurs sélectifs en angle.

Signification et valeur de l’article

Cet article fournit un cadre complet pour la gestion thermique des dispositifs électroniques, en particulier en proposant de nombreuses perspectives innovantes sur les technologies de refroidissement passif. En combinant les algorithmes de contrôle logiciel et la conception matérielle, l’article ouvre de nouvelles voies pour la gestion thermique des dispositifs électroniques futurs. De plus, il explore le potentiel d’application de ces technologies dans d’autres domaines, comme les batteries, élargissant ainsi leur valeur pratique.

Points forts

1. Cadre complet : L’article propose un cadre exhaustif de gestion thermique, couvrant à la fois les aspects matériels et logiciels.
2. Technologies innovantes : Présentation détaillée des technologies de refroidissement passif émergentes, comme le refroidissement par évaporation basé sur l’adsorption et le refroidissement radiatif vers le ciel.
3. Applications interdisciplinaires : Exploration du potentiel d’application de ces technologies dans des domaines comme les batteries, démontrant leur utilité pratique étendue.
4. Orientation future : Fourniture de directions claires pour les recherches futures, en particulier dans la conception des matériaux et l’intégration des systèmes.

Grâce à cet article, l’équipe de recherche propose non seulement de nouvelles solutions pour la gestion thermique des dispositifs électroniques, mais offre également des références précieuses pour le développement futur des technologies.