Le refroidissement des centres de données expliqué : PUE, refroidissement liquide et la facture d'eau

Chaque watt d'électricité qui entre dans un centre de données finit par en ressortir sous forme de chaleur. Ce n'est pas un défaut de conception, mais une conséquence de la thermodynamique : l'énergie se conserve, et le calcul ne la stocke pas. Un serveur transforme l'électricité en travail, et ce travail finit en chaleur de faible qualité qui doit être évacuée vers l'air extérieur. Les ventilateurs, les pompes et la conversion de puissance en ajoutent encore.

À lire aussi: Microsoft prévoit de tripler ses centres de données pour atteindre 38 gigawatts d'ici 2032 · L'Ukraine frappe deux centres de données Yandex, atteignant la puissance de calcul de l'IA russe.

Ce seul fait explique pourquoi un bâtiment plein d'ordinateurs est en réalité un bâtiment plein d'équipements de refroidissement, et pourquoi l'évacuation de la chaleur est devenue l'une des principales contraintes sur la quantité de calcul d'intelligence artificielle (IA) que l'industrie peut construire. Cet article explique le fonctionnement du refroidissement, pourquoi les densités de baies ont fait éclater le modèle du refroidissement à air, ce que mesurent les indicateurs phares, et pourquoi l'eau fait désormais partie de l'ingénierie.

Un bâtiment plein de serveurs est un bâtiment plein de chaleur

L'Agence internationale de l'énergie (AIE) estime que les centres de données ont consommé environ 415 térawattheures (TWh) d'électricité en 2024, soit environ 1,5 % de la consommation mondiale, avec une croissance d'environ 12 % par an. Sa répartition de l'usage de cette puissance est la clé du problème de refroidissement : le refroidissement et le contrôle environnemental représentent environ 7 % de l'électricité dans les sites hyperscale les plus efficaces et plus de 30 % dans les salles d'entreprise plus anciennes et moins efficaces. Les serveurs, le stockage, la mise en réseau et la conversion de puissance prennent le reste, et presque toute cette énergie devient aussi de la chaleur.

L'histoire de l'énergie et celle du refroidissement ne font donc qu'une. L'AIE projette que la consommation électrique des centres de données plus que doublera, pour atteindre environ 945 TWh d'ici 2030, un peu plus que la consommation totale du Japon aujourd'hui. Évacuer cette chaleur efficacement est désormais un problème d'ingénierie de premier ordre, et non une réflexion accessoire sur les installations.

Comment le refroidissement à air a fonctionné pendant des décennies

La salle informatique classique dispose les baies en rangées, face à face et dos à dos. Les serveurs aspirent l'air conditionné depuis une allée froide et rejettent l'air chaud dans une allée chaude. Un confinement physique, comme des portes et des toits au-dessus d'une allée, empêche les deux flux de se mélanger. Beaucoup de salles utilisent un plancher surélevé avec des dalles perforées pour amener l'air froid par le bas ; d'autres le distribuent par le haut.

L'air est déplacé et refroidi par des climatiseurs de salle informatique (CRAC) ou des centraux de traitement d'air de salle informatique (CRAH). La différence compte. Un CRAC contient son propre compresseur et son circuit frigorifique, comme un gros climatiseur domestique, et peut donc fonctionner de façon autonome, ce qui convient aux petites salles. Un CRAH n'a pas de compresseur : il fait passer l'air chaud sur des serpentins alimentés en eau glacée par une centrale. Les grandes installations préfèrent généralement les CRAH, car la centrale peut être optimisée une fois pour toutes et partagée, et parce qu'il y a moins de machines complexes dans la salle sécurisée.

C'est en évacuant la chaleur vers l'extérieur que l'énergie se gagne ou se perd. Un groupe froid (chiller) est une machine frigorifique qui produit de l'eau glacée ; c'est le plus gros consommateur d'énergie d'une installation de refroidissement classique. Un économiseur le contourne quand la météo est assez fraîche. Les économiseurs côté eau transfèrent la chaleur à une tour de refroidissement, tandis que les économiseurs côté air font entrer directement de l'air extérieur filtré. Sous climat frais, ce refroidissement gratuit peut fonctionner la majeure partie de l'année.

Pendant des années, cette architecture a suffi. Dans son enquête 2024, l'Uptime Institute a constaté que la densité de baie la plus courante était de 7 à 9 kilowatts (kW), avec une moyenne proche de 7,1 kW une fois les valeurs extrêmes exclues. C'était confortablement dans les capacités de l'air.

Ce qui a changé : les baies d'IA ont dépassé les limites de l'air

L'air est un mauvais milieu de transfert thermique. Évacuer plus de chaleur avec de l'air suppose d'en déplacer des volumes bien plus importants, ce qui augmente la puissance des ventilateurs jusqu'à ce qu'ils deviennent eux-mêmes une charge notable. Vertiv, un grand fournisseur de refroidissement, situe le point de bascule pratique à environ 20 kW par baie : au-delà, le refroidissement à air perd son efficacité. L'ASHRAE, l'organisme d'ingénierie qui fixe les directives thermiques, note que certains serveurs avancés refroidis par air ont atteint 40 à 50 kW, mais à un coût élevé en débit d'air et en puissance de ventilation.

Les accélérateurs d'IA sont allés plus loin. Le GB200 NVL72 de Nvidia place 72 GPU Blackwell et 36 CPU Grace dans un seul système à l'échelle d'une baie, annoncé à environ 120 kW, un ordre de grandeur au-dessus d'une baie d'entreprise typique. Nvidia le décrit comme refroidi par liquide par conception. Une fiche technique de Hewlett Packard Enterprise pour le même système indique une baie à 132 kW, dont 115 kW refroidis par liquide et 17 kW refroidis par air. Cette répartition est importante : même le refroidissement liquide le plus agressif laisse encore de la chaleur à la salle.

L'enquête 2025 d'Uptime a constaté une densité toujours en hausse, avec une adoption plus large des baies de 10 à 30 kW, mais peu au-delà de 30 kW.

« La demande mondiale d'électricité des centres de données devrait plus que doubler au cours des cinq prochaines années, consommant en 2030 autant d'électricité que le Japon tout entier aujourd'hui. » — Fatih Birol, directeur exécutif de l'AIE, avril 2025

La boîte à outils du refroidissement liquide

Le refroidissement liquide n'est pas une technologie unique. C'est une famille, dont les membres diffèrent par la proximité du fluide avec la puce et par le fait que le fluide bout ou non.

• Échangeurs de chaleur en porte arrière (RDHx). Un serpentin rempli de liquide remplace la porte arrière de la baie. Les ventilateurs des serveurs poussent l'air chaud évacué à travers avant qu'il ne retourne dans la salle. Les unités passives comptent sur les ventilateurs des serveurs ; les unités actives en ajoutent. Le RDHx étend le refroidissement à air à des densités plus élevées et peut être installé sur des baies existantes, ce qui en fait une technologie de transition courante.
• Plaques froides direct-to-chip. Des plaques métalliques à microcanaux internes sont boulonnées directement sur les composants les plus chauds, généralement les GPU et les CPU. Le liquide de refroidissement les traverse et emporte la chaleur. Dans les systèmes monophasiques, le fluide reste liquide ; dans les systèmes diphasiques, il bout à l'intérieur de la plaque et se condense ailleurs.
• Refroidissement par immersion. Des serveurs entiers sont immergés dans un fluide diélectrique qui ne conduit pas l'électricité. Dans l'immersion monophasique, le fluide est pompé vers un échangeur de chaleur ; dans l'immersion diphasique, il bout et la vapeur se condense sur des serpentins au-dessus du réservoir. Les densités atteignables sont les plus élevées, mais réservoirs, fluides et procédures de maintenance changent tous.

Ces boucles ont besoin de plomberie : une unité de distribution de liquide de refroidissement (CDU) isole l'eau de l'installation du fluide qui atteint les serveurs, et des collecteurs le répartissent dans une baie. L'ASHRAE classe les températures de l'eau des installations selon des classes nommées d'après leur limite supérieure, de W17 et W27 jusqu'à W40, W45 et W+. Une eau autorisée plus chaude signifie moins de travail pour le groupe froid, et c'est ce qui rend pratiques la réutilisation de la chaleur et le refroidissement sec. Au National Renewable Energy Laboratory (NREL), un système à eau chaude de son Energy Systems Integration Facility fonctionnait à un PUE de 1,034 et un WUE de 0,7 litre par kWh.

La mise en garde importante est que liquide et air coexistent. La plupart des déploiements refroidissent les accélérateurs par liquide et la mémoire, le stockage, la mise en réseau et les alimentations par air, ce qui explique que la baie GB200 envoie encore 17 kW à la salle.

PUE et WUE : ce qu'ils mesurent réellement

L'efficacité de l'usage de l'énergie (PUE), introduite par le consortium sectoriel The Green Grid en 2007, est la puissance totale de l'installation divisée par la puissance informatique. Un PUE parfait est de 1,0 ; tout ce qui dépasse correspond à un surcoût. Avec un PUE de 1,5, l'installation brûle un demi-watt de refroidissement, de distribution et d'éclairage pour chaque watt livré aux serveurs. À 1,1, le surcoût est d'environ un dixième.

L'écart entre les objectifs de conception et la réalité mesurée est le chiffre à surveiller. L'enquête 2025 de l'Uptime Institute a rapporté un PUE annuel moyen pondéré de 1,54, pratiquement inchangé pour une sixième année consécutive. Les meilleurs exploitants font bien mieux : Google a rapporté un PUE de parc de 1,09 en 2025, sa première année sous 1,10 en six ans, et Microsoft a rapporté 1,17 sur l'exercice 2025. Ce sont des chiffres mesurés, toutes saisons confondues, pour des sites matures. Les objectifs de conception des nouvelles constructions se situent couramment près de 1,1 à 1,2.

L'efficacité de l'usage de l'eau (WUE), définie par The Green Grid dans un livre blanc de 2011, est la consommation annuelle d'eau divisée par l'énergie informatique, exprimée en litres par kilowattheure (L/kWh). Plus elle est basse, mieux c'est, et zéro est l'idéal. La moyenne sectorielle se situe près de 1,8 L/kWh. Le parc de Microsoft a affiché en moyenne 0,27 L/kWh sur l'exercice 2025, contre 0,30 l'année précédente, tandis que ses sites arides de l'Arizona ont dépassé 2 L/kWh parce qu'ils recourent au refroidissement par évaporation une bonne partie de l'année. Amazon a indiqué que ses centres de données AWS utilisent environ 0,15 L/kWh.

Une mise en garde sur les deux indicateurs. Le PUE mesure l'efficacité de l'infrastructure, et non si l'équipement informatique fait un travail utile, et il peut être flatté par des choix de périmètre. Le WUE dépend fortement du climat : un site à Singapour peut atteindre 0,02 L/kWh en partie parce que l'air humide rend le refroidissement par évaporation impraticable. Aucun des deux chiffres ne capture l'image complète.

Le compromis de l'eau

Le refroidissement par évaporation consiste à pulvériser de l'eau dans une tour pour qu'elle s'évapore et absorbe la chaleur. L'économie d'énergie est réelle, mais l'eau évaporée est consommée, et non restituée, et l'eau restante devient une purge concentrée qui doit être traitée. Le refroidissement par évaporation abaisse donc le PUE tout en augmentant le WUE. Microsoft a été explicite : remplacer l'évaporation par un refroidissement mécanique en boucle fermée au niveau de la puce augmente légèrement le PUE tout en évitant plus de 125 millions de litres d'eau par an et par centre de données.

L'échelle rend la question de l'eau incontournable. L'AIE estimait que les centres de données du monde entier ont consommé environ 560 milliards de litres d'eau en 2024, un chiffre qui devrait plus que doubler d'ici 2030. Le Lawrence Berkeley National Laboratory a constaté que les centres de données des États-Unis ont directement consommé environ 17 milliards de gallons (66 milliards de litres) en 2023, bien plus étant utilisé indirectement dans les centrales électriques. Le Congressional Research Service note qu'un centre de données américain de 100 mégawatts peut consommer directement à peu près autant d'eau que 2 600 foyers. Environ un cinquième des centres de données américains s'approvisionnent dans des bassins versants soumis à un stress modéré à élevé, surtout dans l'Ouest, selon des recherches menées par Arman Shehabi, du LBNL, et rapportées par NPR. Cela a suscité une opposition locale et, dans certaines juridictions, des limites au refroidissement par évaporation.

Réutilisation de la chaleur : du déchet au chauffage urbain

La chaleur qui sort d'un centre de données est de faible qualité, souvent de 30 à 45 degrés Celsius, et nécessite donc généralement une pompe à chaleur pour être portée aux 70 à 75 °C utiles au chauffage urbain. Lorsqu'un campus se trouve à côté d'un réseau existant, cette conversion peut fonctionner à grande échelle. Le centre de données Meta d'Odense, au Danemark, livre jusqu'à 165 000 MWh de chaleur excédentaire par an à Fjernvarme Fyn, de quoi chauffer environ 9 000 foyers. Le programme Open District Heating de Stockholm avait noué des partenariats avec 20 fournisseurs de chaleur en 2022, récupérant assez de chaleur pour chauffer 30 000 appartements.

La réutilisation n'est pas universelle. Elle exige un réseau urbain à proximité, un acheteur et une température assez élevée pour que l'économie de la pompe à chaleur fonctionne. La directive européenne refondue sur l'efficacité énergétique pousse les exploitants à déclarer leur consommation d'énergie et d'eau et à envisager la récupération de la chaleur fatale.

Le problème du coût et de la mise à niveau

Les salles refroidies par air sont l'actif délaissé de l'industrie. Ajouter un refroidissement liquide direct-to-chip à une salle existante implique de nouvelles tuyauteries, des CDU, des vérifications de charge au sol, une détection de fuite, une formation des équipes de maintenance et le risque lié au travail dans une salle en activité. Les nouvelles constructions intègrent de plus en plus le liquide dès la conception.

Le coût est la toile de fond de tout cela. L'enquête 2025 d'Uptime a constaté que les questions de coût restaient la principale préoccupation des équipes d'infrastructure numérique, devant la prévision des capacités futures, les contraintes d'électricité et les retards de la chaîne d'approvisionnement suivant de près. Les améliorations d'efficacité rivalisent pour le capital avec la simple construction de capacité supplémentaire, ce qui explique que la moyenne sectorielle mesurée se soit si peu améliorée.

Ce qu'il faut surveiller

Quatre éléments détermineront l'évolution de la situation.

• Conceptions à eau chaude et sans eau. Faire tourner les boucles à 40-45 °C réduit fortement l'usage du groupe froid et rend le refroidissement sec possible presque partout. La conception sans évaporation de Microsoft est le signal le plus clair de la direction, même si elle échange un peu de PUE contre beaucoup moins d'eau.
• Règles de réutilisation de la chaleur. Si les régulateurs exigent que les grandes installations capturent ou évaluent la chaleur fatale, l'implantation penchera vers les endroits dotés de réseaux de chauffage urbain.
• Baies hybrides et normes. À mesure que les systèmes à air et liquides partagent une salle, les normes de CDU et de collecteurs, comme celles élaborées via l'Open Compute Project, décideront de la rapidité avec laquelle les exploitants pourront mélanger les fournisseurs.
• Au-delà du PUE. Les indicateurs de réutilisation de l'énergie, d'eau et de carbone sont de plus en plus déclarés aux côtés du PUE, car le PUE seul peut récompenser des choix qui consomment plus d'eau.

L'essentiel tient à la physique. La densité de l'IA a dépassé ce que l'air peut porter, le refroidissement liquide est désormais la norme pour les baies les plus denses, et la contrainte s'est déplacée de la puce vers l'installation et le bassin versant où elle s'approvisionne. Un PUE proche de 1,1 est un objectif pour les meilleurs sites neufs, pas la norme sectorielle ; la moyenne mondiale mesurée reste d'environ 1,5.