En résumé:
- PCWorld explore comment les systèmes de refroidissement des ordinateurs portables, et pas seulement les processeurs, déterminent des performances durables, des processeurs identiques fonctionnant différemment en fonction de leur conception thermique.
- Un refroidissement efficace implique des caloducs utilisant un transfert à changement de phase, des dissipateurs thermiques stratégiques et un flux d’air coordonné pour éviter une limitation des performances à l’approche des limites de 100 °C.
- Les tests ont révélé que les ordinateurs portables plus grands dotés d’un refroidissement robuste maintiennent des vitesses plus élevées plus longtemps, tandis que des extérieurs chauds indiquent souvent une bonne dissipation de la chaleur des composants internes.
Les ordinateurs portables sont bien plus qu’une simple multitude de composants puissants entassés dans un espace restreint (un peu comme une boîte de sardines !). Le CPU et le GPU en sont certes une grande partie, mais ils ne représentent que la moitié de l’histoire. L’autre moitié est le système de refroidissement, qui peut être l’élément le plus vital d’un ordinateur portable.
Par exemple, vous pouvez avoir deux ordinateurs portables dotés exactement du même processeur et fonctionnant de manière totalement différente. L’un peut très bien naviguer tandis que l’autre ralentit à la moindre pression. Les performances dépendent ici vraiment de bonnes performances thermiques, pas seulement du silicium.
Pour mieux comprendre comment tout cela fonctionne, j’ai parlé avec des experts de Dell, HP et Acer, dont Travis North, ingénieur thermique chez Dell, avec qui nous avons discuté pour la première fois en 2020 ! Et ce qu’ils m’ont dit était… plutôt cool (désolé).
Comment la chaleur circule dans votre ordinateur portable
La conception du système de refroidissement d’un ordinateur portable est une tâche compliquée car vous devez garder à l’esprit des éléments tels que la taille, le coût, le bruit et les performances.
Les ordinateurs portables génèrent de la chaleur. Comme, BEAUCOUP de chaleur, grimpant souvent dans la plage 80-100 C sous charge. Les principaux responsables de la chaleur sont le CPU et le GPU. Et la chaleur doit bien aller quelque part, sinon les performances chuteront et, si les choses se gâtent super poilu, l’ordinateur portable peut s’éteindre. Eric Ackerson d’Acer, directeur associé du marketing produit, l’a résumé si succinctement :
Considérez cela comme une course de relais, et la ligne d’arrivée se situe à l’extérieur du châssis.
Travis North de Dell affirme que toute cette chaleur n’est qu’un sous-produit de la consommation d’énergie. Votre ordinateur portable utilise constamment de l’énergie pour faire des choses (qu’il s’agisse de feuilles de calcul, de navigation, de jeux, etc.), et la chaleur vient de là. Ainsi, lorsque la température monte, le refroidissement se met en marche.
Fonderie / Matthew Smith
La chaleur s’échappe d’abord du CPU et du GPU, qui se trouvent sous une plaque métallique et une couche de TIM (alias Thermal Interface Material). Ce matériau, également appelé pâte thermique ou « goop » si vous êtes comme moi, permet de combler les espaces entre la puce CPU/GPU et le dissipateur thermique ou la chambre à vapeur. Cela permet de réduire la résistance de contact.
Même si les surfaces du CPU et du GPU semblent lisses à première vue, elles ressemblent en réalité davantage à de minuscules chaînes de montagnes, selon North. Cette « substance visqueuse » remplit ces vallées microscopiques, réduisant ainsi ce que les ingénieurs appellent la « résistance thermique » et améliorant la capacité de la chaleur à traverser l’ordinateur portable.
Viennent ensuite les caloducs, qui sont des tubes en cuivre contenant un peu de liquide (souvent moins d’un cc, selon North). La chaleur transforme le liquide en vapeur, puis il se déplace vers l’extrémité froide où il se condense à nouveau en liquide. Une mèche le ramènera ensuite vers l’extrémité chaude, comme une gouttelette d’eau se répand dans une serviette, comme le dit North. Cela se produit très rapidement dans une boucle continue. Les chambres à vapeur fonctionnent de la même manière, mais elles répartissent simplement la chaleur sur une surface plus large.
L’ensemble de ce processus est connu sous le nom de transfert de chaleur à changement de phase et constitue un moyen intelligent d’évacuer rapidement la chaleur d’un espace restreint. Si vous avez besoin d’une analogie, North dit que c’est un peu comme de l’eau bouillante.
Fonderie / Matthew Smith
Je lui ai demandé s’il avait déjà vu un caloduc ou une chambre à vapeur tomber en panne et quelles en seraient les conséquences. Il a déclaré qu’il n’avait pas vu un tel échec au cours des 15 dernières années, car leur conception est assez robuste.
La chaleur est ensuite absorbée par les fines plaques métalliques d’un dissipateur thermique. Ces plaques augmentent la surface, ce qui contribue à dissiper davantage la chaleur. Il donne à l’air chaud « autant de métal à toucher que possible » avant que les ventilateurs ne l’expulsent du système.
Comme North l’a décrit, l’ensemble du système est essentiellement une série de « transferts », déplaçant la chaleur d’un composant à l’autre jusqu’à ce qu’elle s’échappe. Cette coordination globale est essentielle.
Haval Othman, directeur principal de l’ingénierie de l’expérience des solutions de jeu chez HP, a également fait un point pertinent sur le système dans son ensemble. Il a déclaré que le refroidissement ne fonctionne que lorsque le transfert de chaleur, le flux d’air et la conception du châssis fonctionnent ensemble comme un système coordonné plutôt que comme des pièces individuelles.
L’ensemble du système ne fonctionne que si l’air peut évacuer la chaleur. Et c’est là que les fans occupent le devant de la scène, mais pas de la manière à laquelle on pourrait s’attendre.
Il est facile de supposer que les ventilateurs effectuent l’essentiel du travail de refroidissement (j’ai eu cette impression pendant un certain temps à l’université), mais ils ressemblent davantage à des directeurs de circulation dans le sens où ils guident l’air chaud hors de l’ordinateur portable. Cela dit, la conception du ventilateur elle-même constitue un objectif technique majeur.
Eric Ackerson d’Acer note que l’épaisseur, la forme et l’efficacité des pales comptent tout autant que la vitesse : le flux d’air ne dépend pas seulement de la vitesse de rotation des ventilateurs. Othman de HP a fait écho à cette idée, affirmant qu’il ne s’agit pas nécessairement de la taille ou de la vitesse du ventilateur, mais plutôt de la quantité d’air en mouvement et de sa destination.
Comme l’explique Travis North de Dell, même réduire de quelques millimètres l’épaisseur d’un ordinateur portable peut rendre le refroidissement beaucoup plus difficile en limitant le flux d’air et en augmentant la résistance thermique.
La disposition du clavier ou les matériaux du boîtier sont-ils réellement importants ?
Fonderie / Matthew Smith
Certains fabricants d’ordinateurs portables intègrent le clavier au système de circulation d’air. Acer, par exemple, utilise un clavier « entrée d’air » sur certains modèles pour aspirer encore plus d’air frais par le haut. Mais si la circulation de l’air est importante, le matériau du châssis compte également.
L’aluminium est le type de matériau que l’on retrouve dans les ordinateurs portables haut de gamme. Il conduit assez bien la chaleur, bien sûr, mais il peut devenir assez chaud au toucher. Le plastique est plus isolant, il reste donc à l’intérieur tandis que l’extérieur reste à une température confortable.
Haval Othman de HP a également souligné à quel point il faut réfléchir à l’endroit où la chaleur finit par se retrouver dans un ordinateur portable :
Dans les systèmes bien conçus, la chaleur est intentionnellement gérée et évacuée des zones fréquemment touchées comme le clavier et le repose-mains, en particulier les touches de mouvement telles que les touches WASD, qui sont constamment utilisées pendant les longues sessions de jeu. Cette approche ne rend peut-être pas l’ordinateur portable plus frais en interne, mais elle le rend beaucoup plus confortable à utiliser sur de longues périodes.
Chaque choix de conception détermine l’efficacité avec laquelle un ordinateur portable peut évacuer la chaleur. Alors, que se passe-t-il lorsque ce système de refroidissement est poussé à ses limites ?
Comment deux ordinateurs portables dotés du même processeur peuvent-ils avoir des performances différentes ?
C’est généralement le système de refroidissement qui détermine la durée pendant laquelle un ordinateur portable peut fonctionner à sa vitesse maximale, et non le processeur.
Toute cette chaleur ne disparaît pas non plus immédiatement. Au lieu de cela, il est déversé dans la pièce que vous occupez, obligeant votre ordinateur portable à travailler plus fort pour maintenir une température sûre. North a dit que c’était comme faire fonctionner un sèche-cheveux sans arrêt, ce qui m’a aidé à contextualiser l’impact.
Travis North a également évoqué un détail technique important à ce stade de la conversation : le TjMax ou Thermal Junction Maximum. Il s’agit du seuil de température du CPU. Un ordinateur portable approchant de ce seuil de température (généralement 100 °C) commencera à ralentir. Un ordinateur portable qui le dépasse s’éteindra pour se protéger.
Les processeurs modernes peuvent fonctionner en toute sécurité jusqu’à environ 100 °C, et atteindre cela ne signifie pas qu’un ordinateur portable est en panne, loin de là. Ce qui compte, c’est de savoir si le système peut continuer à fonctionner sans limitation.
Il explique également comment le mode turbo d’un ordinateur portable peut rendre celui-ci plus rapide et plus chaud : ce mode permet au processeur de consommer plus d’énergie. North indique qu’un ordinateur portable peut fonctionner à environ 15 watts (à la fréquence de base), mais passer à environ 55 watts lorsqu’il est en mode turbo. Il dit que cela représente « environ trois fois la puissance pour une légère augmentation de la vitesse d’horloge ». C’est pourquoi une bonne conception thermique est cruciale. Vous devez avoir de la place pour un dissipateur thermique plus grand, plus de caloducs et un flux d’air plus fort.
Mais certaines personnes pensent que si un ordinateur portable chauffe (même un peu !), quelque chose ne va pas.
Pourquoi vous ne devriez pas paniquer si votre ordinateur portable est chaud
La chaleur n’est pas l’ennemie. Ce n’est vraiment pas le cas.
Comme l’a souligné Eric Ackerson d’Acer, cette idée fausse sur la chaleur peut être trompeuse. Il appelle cela le « piège à température tactile », ce qui signifie qu’un extérieur plus frais signifie toujours un meilleur refroidissement. Un ordinateur portable chaud au toucher réussit généralement mieux à évacuer la chaleur des composants internes. De l’autre côté de la médaille, un ordinateur portable qui semble plus frais peut emprisonner la chaleur plus près du processeur et ce n’est pas bon.
Mais, comme l’explique North, les processeurs modernes sont en réalité conçus pour fonctionner à chaud, souvent jusqu’à environ 100 °C sous une charge importante. C’est tout à fait normal. Ce qui compte vraiment, c’est de savoir si le système peut maintenir ces performances sans trop de limitation.
Les fans sont un autre domaine dans lequel les gens ont tendance à se tromper. Bien qu’ils jouent un rôle important, le dissipateur thermique et les caloducs (ou chambre à vapeur !) font l’essentiel du travail. Les ventilateurs aident simplement à évacuer la chaleur du système.
À quelle température est-il trop chaud pour un ordinateur portable ?
Incapable de contenir ma curiosité plus longtemps, j’ai demandé à Travis North quelle était la température la plus chaude qu’il ait jamais vu un ordinateur portable atteindre.
Il a rapporté avoir vu la température de ce processeur grimper brièvement jusqu’à 114 °C (euh, ouais). Les températures tactiles sûres plafonnent à environ 51 °C, ce que Dell suit de manière responsable dans la conception de ses ordinateurs portables. Cela ne devrait pas suffire à vous brûler.
Pensées finales
Le plus gros point à retenir ? Le refroidissement des ordinateurs portables est absolument essentiel. En fait, je dirais même que c’est le fondement sur lequel repose tout le reste. Chaque caloduc et pale de ventilateur fait partie d’un système soigneusement conçu, mais il est complexe et généralement invisible derrière les parois du châssis. Si la chaleur ne peut pas s’échapper, les performances ne peuvent pas durer.
