Une nouvelle analyse du cycle de vie au service du refroidissement plus durable des centres de données

Véritables systèmes nerveux du nuage, les centres de données reposent sur des serveurs en constante activité. C’est là que les données numériques sont stockées et traitées, et que de plus en plus de tâches informatiques sont exécutées. Tandis qu’une portion de plus en plus grande de nos vies migre vers le numérique, et que des technologies comme l’apprentissage automatique, l’intelligence artificielle (IA), les véhicules autonomes et la réalité augmentée s’intègrent à notre quotidien, la demande pour des centres de données plus grands et plus puissants augmente rapidement.

Ayant travaillé plus de 20 ans dans le domaine de la durabilité, je suis enthousiaste quant au potentiel des technologies numériques pour améliorer mon travail et soutenir de nouvelles solutions de décarbonation et de restauration de la nature. Néanmoins, la prolifération des centres de données pose aussi un défi : ils consomment généralement 10 à 50 fois plus d’énergie* par pied carré qu’un immeuble commercial standard. En outre, les centres de données représentaient environ 1,5 % de la demande énergétique mondiale* en 2020, et ce pourcentage devrait augmenter avec la montée en puissance de l’IA.

La volonté de réduire cette empreinte énergétique tout en améliorant les performances revêt désormais une grande importance pour les exploitants et les concepteurs de centres de données, ce qui a permis de réduire de 20 %* leur intensité énergétique dans le monde depuis 2010. Pourtant, le secteur technologique doit aller encore plus loin. Selon la Science Based Targets initiative (SBTi), il doit en effet réduire ses émissions de gaz à effet de serre de 42 % d’ici 2030 (par rapport à 2015) pour atteindre la consommation énergétique nette zéro et limiter le réchauffement climatique à 1,5 °C. Concrètement, cela signifie concevoir des centres de données qui consomment moins d’énergie et moins d’eau.

Le refroidissement est particulièrement important, car les serveurs produisent beaucoup de chaleur qui doit être évacuée pour qu’ils fonctionnent efficacement. De plus, la consommation d’énergie liée au refroidissement et à la gestion de l’alimentation électrique peut être considérable. Elle représente 10 à 20 % de la consommation des équipements de TI dans les grands centres efficaces, et 80 à 120 % dans les petits centres moins performants.* Avec tout cela, si l’on ne comprend pas les impacts environnementaux mondiaux des nouvelles technologies, il est difficile de choisir les solutions les plus adaptées pour atteindre les objectifs de réduction. 

Collaborer pour comprendre les répercussions des centres de données

La conception du refroidissement des centres de données est un problème complexe d’optimisation multiple : de nombreux facteurs interagissent et influencent la performance et la durabilité de ce processus. Afin de clarifier les principales occasions d’amélioration, Microsoft et WSP ont mené une analyse du cycle de vie (ACV) avant-gardiste, dont les résultats ont été récemment publiés dans Nature*. On y examine les impacts environnementaux de quatre techniques de refroidissement tant pour les processeurs généralistes (CPU) que pour les centres de données qui hébergent les services en nuage. Cette étude s’inscrit dans notre partenariat stratégique mondial pluriannuel qui vise à soutenir Microsoft dans la réalisation responsable d’installations essentielles à la mission.

À notre connaissance, il s’agit de la première ACV intégrale rendue publique qui porte sur les technologies de refroidissement des centres de données et qui a été réalisée par un fournisseur à très grande échelle de services en nuage. Cette ACV permet de quantifier les impacts environnementaux des centres de données, en tenant compte de tous les composants nécessaires à la réalisation d’un cœur virtuel – comme les puces électroniques, les serveurs, les équipements de soutien et les bâtiments – de l’empreinte carbone intrinsèque à l’empreinte carbone d’exploitation, y compris le transport et la fin de vie. Elle permet aussi d’examiner ces impacts pour différents scénarios de technologies de refroidissement innovantes. Notre travail, mené sur plusieurs années, va beaucoup plus loin que les études générales précédentes. Microsoft s’est fixé l’objectif ambitieux d’avoir une empreinte carbonégative et une empreinte hydrique positive d’ici 2030. Bravo à son équipe pour la rigueur dont elle fait preuve dans la poursuite de ce projet. 

Face à l’urgence de la décarbonation, nous devons déterminer les leviers les plus efficaces et les plus rapides à activer. Les ACV sont essentielles, car elles permettent d’évaluer l’empreinte complète d’un produit ou d’un système (pas seulement l’empreinte carbone, mais un ensemble d’impacts environnementaux), en plus de repérer les stratégies de réduction les plus efficaces et d’éviter de déplacer les incidences d’une étape du cycle de vie à une autre. Elles sont inestimables dès la phase de conception, puisqu’elles permettent de prendre en compte la durabilité dans les décisions, au même titre que les analyses de la faisabilité et des coûts.

Microsoft prévoit appliquer les leçons tirées de cette étude* pour optimiser le refroidissement de ses futurs centres de données, de manière à soutenir ses objectifs de durabilité. La mission de WSP est de façonner nos communautés pour faire progresser l’humanité, et je suis ravie que cette étude soit accompagnée d’un logiciel libre gratuit, basé sur Excel, qui permet à tout exploitant ou concepteur de centre de données d’évaluer différentes technologies de refroidissement et leurs compromis. Il peut également aider les acheteurs de services en nuage à comprendre les implications en matière d’émissions ou de consommation d’eau pour les aider à atteindre leurs propres objectifs de durabilité. WSP aide de nombreuses entreprises à quantifier leurs impacts directs et indirects et à élaborer des stratégies de réduction, et nous pouvons contribuer à appliquer cet outil dans divers contextes.

Principales conclusions

Nous avons étudié trois technologies, soit le refroidissement par plaque froide (cold plate), par immersion monophasée et par immersion biphasée, en les comparant au refroidissement par air standard. Chacune présente des points forts et des points faibles, mais il a été présumé que leurs avantages l’emportent sur leurs inconvénients. Nous avons donc cherché à quantifier leurs impacts environnementaux pour éclairer la prise de décisions.

Notre étude* montre que l’utilisation du refroidissement liquide dans les centres de données pourrait réduire les émissions de gaz à effet de serre de 15 à 21 %, la demande énergétique de 15 à 20 % et la consommation d’eau douce (blue water) de 31 à 52 %. Dans le cas d’un centre de données typique à très grande échelle, ces réductions reviendraient à retirer jusqu’à 4 500 voitures des routes américaines chaque année, à fournir de l’électricité à environ 22 200 foyers aux États-Unis ou encore à économiser l’équivalent en eau de 20 piscines olympiques. Ces chiffres sont donnés à titre indicatif et reposent sur certaines hypothèses détaillées dans l’étude.

Lorsqu’on mène des analyses du cycle de vie sur des systèmes complexes, l’un des principaux défis est de trouver une unité commune pour comparer des systèmes qui remplissent une même fonction de façons différentes. Dans ce cas, nous avons choisi le cœur virtuel (vCore) annualisé comme « unité fonctionnelle ». Cette unité de base du nuage correspond à la quantité de puissance de calcul utilisée sur une année et permet de comparer différentes configurations et implantations de centres de données à l’échelle de l’écosystème.

Le graphique ci-dessous résume nos conclusions : il montre les répercussions des émissions de gaz à effet de serre, de la demande énergétique totale et de la consommation d’eau douce pour chaque technologie, par cœur virtuel et par année.

Nous avons modélisé deux sources d’énergie différentes pour l’exploitation de centre de données : une avec 0 % d’énergie renouvelable comme référence (représentant un réseau basé sur les combustibles fossiles) et une avec 100 % d’énergie renouvelable (reflétant l’engagement de Microsoft en faveur des énergies renouvelables*). Tous les résultats sont présentés en fonction des impacts d’un centre de données refroidi par air, alimenté à 0 % par de l’énergie renouvelable. 

Cette approche est éclairante, car elle permet de visualiser les compromis requis dans d’autres domaines, comme la consommation d’eau.

L’utilisation de systèmes à refroidissement par évaporation à base d’eau, plutôt que des systèmes électriques utilisant de l’air ou des fluides frigorigènes, est souvent présentée comme la solution à la problématique des centres de données dits « gourmands en eau ». Or, le fait qu’un centre de données n’utilise pas directement d’eau ne signifie pas qu’aucune eau n’intervient dans son refroidissement. Les centres de données consomment aussi de l’eau de manière indirecte, puisque la production d’électricité en requiert. Ainsi, des technologies de refroidissement plus énergivores peuvent accroître la consommation totale d’eau, selon le mode de production de l’électricité.

L’emplacement géographique joue aussi un rôle. Il faut déterminer précisément où cette eau est consommée : se trouve-t-on dans une zone actuellement soumise à un stress hydrique en raison du climat, d’une forte concentration d’utilisateurs industriels, ou des deux? 

L’étude révèle que les émissions de gaz à effet de serre liées à la phase opérationnelle d’un centre de données pourraient diminuer de 85 à 90 % si on avait recours aux énergies renouvelables, quelle que soit la technologie de refroidissement employée. Cependant, la production d’émissions de carbone intrinsèque liées au matériel et aux infrastructures reste élevée.

C’est pour cette raison que notre réflexion ne doit pas se limiter aux technologies de refroidissement et à l’énergie qui les alimente. Nous devons d’abord envisager d’intégrer des énergies renouvelables plus en amont de la chaîne d’approvisionnement, car l’un des principaux points critiques pour les serveurs réside dans l’énergie requise pour leur fabrication.

De plus, il est tout aussi nécessaire d’optimiser les centres de données et chaque étape de la chaîne d’approvisionnement pour réduire la consommation énergétique, car d’autres secteurs adoptent eux aussi les énergies renouvelables. Le monde a besoin d’investissements massifs dans les énergies renouvelables, et l’efficacité énergétique reste essentielle pour répondre durablement à la demande croissante.

L’énergie nucléaire ressort comme une solution potentielle pour alimenter les centres de données, et certains fournisseurs déploient déjà de petits réacteurs nucléaires. Il serait intéressant d’appliquer notre méthodologie d’analyse du cycle de vie pour comparer les énergies renouvelables au nucléaire. Nous pourrions également intégrer des technologies émergentes comme la récupération de chaleur. WSP travaille actuellement sur un projet à Manhattan qui vise à alimenter un réseau thermique* à partir de la chaleur dégagée par deux centres de données. 

Conclusion surprenante de notre étude : les impacts associés aux bâtiments sont presque inexistants quand ils sont amortis à l’échelle de notre unité fonctionnelle, soit le cœur virtuel (vCore). Il est possible de les constater, bien que très faiblement, dans les fines bandes rouge foncé du graphique.

Cela ne signifie pas que nous ne devrions pas nous concentrer sur la décarbonation des infrastructures bâties. De fait, les bâtiments représentent plus d’un tiers de la consommation énergétique et de l’empreinte carbone mondiales*, et l’ampleur du développement prévu des centres de données dans le monde aura un impact considérable. Les équipes de WSP spécialisées dans les services-conseils en bâtiments durables aident des clients de nombreux secteurs, y compris celui des centres de données, à comprendre la contribution de leurs bâtiments aux changements climatiques et à élaborer des stratégies pour la réduire.

Cette étude nous montre que, dans un contexte mondial de décarbonation des centres de données, certaines mesures doivent clairement être priorisées pour maximiser les bénéfices. Cela confirme ce que l’on pressentait déjà : l’essentiel de l’énergie consommée provient de la phase d’usage, et la transition vers les énergies renouvelables constitue une étape essentielle de la décarbonation. L’étude précise également la prochaine priorité : après la phase d’usage, les principales sources d’émissions proviennent des composants eux-mêmes, en particulier les serveurs, les puces électroniques et les circuits imprimés. Il est donc essentiel de collaborer avec les fournisseurs tout au long de la chaîne de valeur pour mieux comprendre comment décarboner ceux-ci. 

L’un des principaux défis que nous avons rencontrés est le manque de données environnementales récentes sur les équipements électroniques utilisés dans les centres de données.

Par exemple, la plupart des données publiques sur la production de semi-conducteurs sont obsolètes et ne reflètent peut-être plus les technologies actuelles. Dans un monde idéal, les fournisseurs produiraient des déclarations environnementales de produit (DEP) complètes pour tous ces composants, en quantifiant leurs impacts dans différentes catégories, comme l’empreinte carbone, l’empreinte énergétique et l’empreinte hydrique. Disposer au moins de données sur l’empreinte carbone serait déjà un bon début.

Il est également très important de réduire les gaz fluorés utilisés dans la fabrication des semi-conducteurs, comme l’hexafluorure de soufre. Ce dernier est l’un des gaz à effet de serre les plus énergivores en chaleur, avec un potentiel de réchauffement planétaire 23 500 fois supérieur à celui du CO₂. Cela signifie qu’il retient 23 500 fois plus de chaleur dans l’atmosphère. Que pourraient faire les acheteurs finaux pour encourager la chaîne d’approvisionnement à renforcer les mesures de réduction de ces gaz fluorés?

Dans de futures analyses du cycle de vie, il pourrait être pertinent d’inclure d’autres catégories environnementales, comme le potentiel de formation de smog. La qualité de l’air est un facteur crucial de l’implantation d’un centre de données, car celui-ci aspire de l’air extérieur pour son refroidissement. Si cet air contient beaucoup de particules ou de polluants, cela peut dégrader les équipements et perturber le fonctionnement du centre. Cela peut aussi entraîner des coûts (et une consommation d’énergie) supplémentaires pour filtrer l’air entrant. 

Cet article arrive à point nommé, car nous sommes au début d’une nouvelle évolution des centres de données, et il reste encore beaucoup à apprendre.

Dans cette étude, nous avons examiné les processeurs généralistes (CPU) et les centres de données qui hébergent les services en nuage. Nous entrons maintenant dans une ère où les installations destinées à l’IA sont beaucoup plus puissantes. Certaines de nos conclusions peuvent s’appliquer à l’IA, mais ces centres et leurs écosystèmes seront configurés différemment. Il faudra donc réaliser des analyses continues et ciblées.

À mesure que les applications d’IA se multiplient, cette nouvelle catégorie de centres de données utilise encore plus d’énergie, d’eau et de matériaux, et leur croissance va s’accélérer. Nous devons nous assurer que cette transition ne se fait pas au détriment de l’environnement. Cela suppose de fournir aux parties prenantes (architectes, ingénieurs, équipes chargées de l’approvisionnement, exploitants, décideurs, etc.) de l’information sur les impacts environnementaux afin qu’elles puissent les intégrer à leurs décisions.

WSP collabore également avec NVIDIA, le principal fabricant de puces spécialisées pour l’IA. Ensemble, nous avons mené la toute première analyse d’empreinte carbone intégrale d’un GPU, appliquée aux célèbres puces H100* et B200*.

C’est une grande satisfaction pour nous de contribuer aux efforts continus qui visent à améliorer la durabilité du refroidissement des centres de données à un moment aussi crucial pour l’industrie. Je suis particulièrement enthousiaste qu’un outil que nous avons créé soit désormais accessible à tous pour évaluer les solutions et les compromis liés au refroidissement des serveurs. Et je suis très impressionnée par le talent et l’engagement des équipes de WSP et de Microsoft, qui ont mené ce projet avec rigueur et transparence, et par la décision de Microsoft de rendre ces résultats publics pour maximiser leurs répercussions. J’ai hâte de poursuivre notre travail innovant avec Microsoft et d’aider d’autres entreprises à suivre cette voie.

En tant que vice-présidente principale et experte technique, Julie fait profiter de ses multiples compétences les services chargés de la durabilité, de l’énergie et des changements climatiques chez WSP. Son expertise couvre l’analyse du cycle de vie (ACV), les empreintes carbone et hydrique des produits et des services, ainsi que les stratégies de durabilité et de décarbonation dans les secteurs de la technologie et de l’électronique, des biocarburants et des produits biosourcés, de l’agriculture et de l’alimentation, des textiles et des vêtements, du bâtiment et de la construction. Elle réalise des analyses du cycle de vie depuis 2007.

Julie possède un doctorat en génie des systèmes biologiques avec spécialisation en analyse environnementale et en politiques publiques, ainsi qu’une maîtrise en agroécologie de l’Université du Wisconsin-Madison. Elle détient également un baccalauréat en gestion des ressources naturelles, spécialisé en conservation et en écologie appliquée, ainsi qu’un mineur en politiques et en comportements environnementaux du Cook College de l’Université Rutgers.

Ses travaux de recherche et ses publications portent sur l’application d’analyses du cycle de vie aux services en nuage, aux centres de données et aux technologies innovantes de refroidissement liquide, ainsi que sur l’utilisation de l’IA pour optimiser les processus d’ACV. Elle étudie également l’ACV du stockage de données dans l’ADN synthétique, l’empreinte hydrique de l’électricité (périmètre 2), les systèmes alimentaires durables et les protéines alternatives, l’ACV des biocarburants, l’analyse des politiques énergétiques et les méthodologies d’évaluation de la durabilité.

Enfin, elle fait partie du groupe de travail technique sur le périmètre 3 pour la révision du Protocole des gaz à effet de serre et siège depuis 2019 au comité consultatif technique ISO/TC 207 sur la gestion environnementale.

* Sites Web en anglais seulement.