Raspberry Pi 4, passive und aktive Kühlung von Pimoroni im Vergleich

Raspberry Pi 4, passive und aktive Kühlung von Pimoroni im Vergleich

Der Raspberry Pi 4 ist ein mächtiges Biest mit kochendem Geist, besonders im Vergleich zu seinen Vorgängern. Obwohl die offizielle Raspberry Pi Power-over-Ethernet (PoE) -HAT-Lösung einen nützlichen Lüfter zur Reduzierung der Temperatur enthält, bietet der Markt günstigere Optionen für diejenigen, die keine PoE-Unterstützung benötigen, wie z. B. die aktiven oder passiven Kühlkörper von Pimoroni.

Mit diesem erschwinglichen Zubehör können Sie den Raspberry Pi 4 auf einen thermischen Throttling-Zustand begrenzen oder sogar ganz verhindern und so unabhängig von der Arbeitsbelastung die maximale Leistung erzielen, selbst wenn Sie übertakten. Da der Kühlkörper ab einem Preis von nur 2,81 Euro praktisch und nützlich ist, zeigen unsere Tests, dass die aktive Lösung Fan Shim (die auf der offiziellen Website 11,23 Euro kostet) die effektivste Lösung ist.

Tatsächlich können Sie den Raspberry Pi 4 auf 2147 MHz übertakten, ohne jemals thermisch drosseln zu müssen. Es ist jedoch nicht kompatibel mit einigen HAT (Hardware Attached on Top) und erweist sich als unwirksam, wenn es in einem vollständig geschlossenen Gehäuse verwendet wird.

Thermal Throttilng: das Problem

Wenn der Himbeer-Pi-4-SoC eine bestimmte Temperatur von knapp über 80 ° C erreicht, verringert er als Schadensschutz seine Betriebsgeschwindigkeit. Für alle, die Raspberry Pi 4 für kurze und nicht rechenintensive Aufgaben wie das Surfen im Internet, das Bearbeiten eines Dokuments oder das Programmieren in Scratch oder Python verwenden, ist dies kein Problem. Unter anhaltender Last kann sich eine Verringerung der Arbeitsfrequenz der CPU jedoch auf die Leistung auswirken.

Raspberry Pi 4 Kühlkörper Vergleich

Die obige Grafik zeigt einen Raspberry Pi 4, der nicht in einem Gehäuse und daher im Freien untergebracht ist und die CPU und die GPU für die Dauer von zehn Minuten stark belastet. Die Temperatur erreicht bald den Throttling-Punkt und die CPU-Frequenz kann nach drei Minuten und 43 Sekunden von 1,5 GHz auf 1 GHz abfallen, auch wenn sie bei sinkender Temperatur schnell ansteigt, sodass Sie mit einer höheren Taktrate wieder arbeiten können . Dieses Frequenzverhalten hält bis zum Ende des Tests an, bis die Last ausfällt und die CPU zur korrekten Wiederherstellung auf ihre Leerlaufdrehzahl von 600 MHz zurückkehren kann.

Das Problem wird offensichtlicher, wenn der Pi übertaktet wird: Das Erhöhen des CPU- oder GPU-Takts erfordert mehr Energie und kann nur dann zu mehr Wärme führen. Ein übertakteter Raspberry Pi 4 verringert die Frequenz gleichermaßen deutlich früher und verbringt wahrscheinlich mehr Zeit mit reduzierten Arbeitsfrequenzen, da er mehr Wärme zur Verfügung hat.

Die passive Lösung: der Kühlkörper Pimoroni

Das Hinzufügen eines Kühlkörpers – ein einfaches Stück wärmeleitendes Metall, in der Regel mit Rippen, die helfen, Wärme vom SoC fernzuhalten, indem sie diese auf einer größeren Oberfläche verteilen, um sie besser an die Umgebungsluft zu übertragen – war für Himbeerenthusiasten schon immer ein häufiges Update Pi.

Der speziell für den Raspberry Pi entwickelte Pimoroni – Kühlkörper hat eine größere Stellfläche als die meisten auf dem Markt erhältlichen Pi – Kühlkörper – er passt aufgrund der gebrochenen Manschette zwischen dem DSI – Anschluss (Display Serial Interface) links und dem CSI-Anschluss (Camera Serial Interface) im unteren Mittelteil – im Gegenzug hat er eine reduzierte Höhe, die es ihm ermöglicht, sich an traditionelles HAT-Zubehör anzupassen und damit kompatibel zu sein, auch wenn dies den Luftstrom erheblich verringert.

Die Wahl des Kühlkörpers bringt gegenüber einer aktiven Lösung einige Vorteile mit sich: Er ist zuallererst absolut geräuschlos und dann extrem billig und kostet weniger als 3 Euro. Der Preis beinhaltet einen Klebestreifen auf der Rückseite, aber es ist seltsam, dass Pimoroni sich nicht für eine echte thermische Schnittstelle (TIM) entschieden hat. Stattdessen handelt es sich bei dem mitgelieferten Klebestreifen um ein 3M Bioadesimo 9448A – normalerweise nicht zum Aufbringen von Kühlkörpern auf Chips, aber laut Hersteller besonders temperaturbeständig. Diejenigen, die ein Pimoroni Pibow Raspberry Pi 4-Gehäuse verwenden, werden auch einen neuen Schlitz in der oberen Abdeckung vorfinden, durch den die Spüle "atmen" kann.

Raspberry Pi 4 Kühlkörper Vergleich

Der Einbau des Kühlkörpers und die Ausführung des gleichen Benchmarks, von dem wir oben bereits gesprochen haben, zeigen deutliche Auswirkungen: Der Raspberry Pi 4 startet bei einer etwas niedrigeren Temperatur und steigt mit einer langsameren und deutlich weniger akzentuierten Kurve an. Der Unterschied, der durch die Verwendung des Kühlkörpers entsteht, tritt genau in den Drosselungsphasen auf: Es dauert fast achteinhalb Minuten unter anhaltender Last, um die Drosselung der Raspberry Pi 4-CPU auszulösen, eine beträchtliche Verbesserung im Vergleich zu den zuvor gemessenen drei Minuten und 43 Sekunden. Aus der Grafik geht auch hervor, dass der Pi 4 seltener gedrosselt wird, mit negativen Peaks in viel geringeren Zahlen als den zuvor angetroffenen.

Ein bedeutender Schritt nach vorne, der nicht ausreicht, um den Eintritt des Pi 4 in den Schutz vollständig zu verhindern, indem seine Uhr auf weiter niedrigere Temperaturen begrenzt wird: Hier kommt die Verwendung eines aktiven Kühlsystems ins Spiel.

Die aktive Lösung: Fan Shim von Pimoroni

Das Fan Shim ist eine kleine Leiterplatte mit einer ungewöhnlichen Form, die mit einem 30-mm-Lüfter gebündelt ist. Sie können problemlos 4 Muttern mit einem Paar Schrauben zusammenbauen und die Lüfterspannungsversorgung mit einem Anschluss auf der Platine verbinden. Sobald dieser einfache Vorgang abgeschlossen ist, kann die gesamte Baugruppe auf den Raspberry Pi GPIO-Header geschoben werden.

Im Gegensatz zu anderen ähnlichen Produkten, die immer noch billiger sind als dieses Produkt (das etwas mehr als 11 Euro kostet), können Sie mit Fan Shim den Software-Lüfter mit einem einfachen Programm steuern, aber es gibt auch eine taktile Taste und eine LED Auf der Karte adressierbares RGB, auch wenn die Schaltfläche auf Pi 4 erst dann funktioniert, wenn eine GPIO Zero Python-Bibliothek verfügbar ist.

Theoretisch bedeutet die dünne Leiterplatte des Fan Shim, dass es zusammen mit den meisten HATs verwendet werden kann – auch wenn es nicht auf dem GPIO-Pin BCM18 basiert, der zusätzliche Audiokomponenten enthält, die I2S-Audiokonnektivität verwenden, wie z. B. Pimoronis pHAT DAC.

Durch die Installation eines herkömmlichen HAT wird der direkte Luftstrom von oben in den Lüfter blockiert, es ist jedoch noch genügend Platz vorhanden, um eine effektive Kühlung zu gewährleisten. Das Hinzufügen eines Booster Headers, eines optionalen Zubehörs, das die HAT erhöht, könnte dazu beitragen, die Dinge noch weiter zu verbessern. Wie bei der passiven Konfiguration verfügt auch das neue Pibow-Gehäuse über einen Schlitz, um die Luftzirkulation zugunsten des Fan Shim und seines Lüfters zu verbessern.

Raspberry Pi 4 Kühlkörper Vergleich

Standardmäßig hat Fan Shim seit dem Einschalten des Raspberry Pi seine Höchstgeschwindigkeit von 4200 U / min erreicht. Bei diesen Werten ist die Kühlleistung beeindruckend: Der SoC im Leerlauf zeichnet eine Temperatur von rund 37 ° C bei einer Umgebungstemperatur von 24,5 ° C auf und erreicht während des gesamten Testlaufs nie 55 ° C . Dies ist eine Temperatur weit unter 80 ° C, die eine Drosselung auslösen kann, ein Zustand, der nie aufgezeichnet wird. Die CPU läuft während des gesamten Tests mit ihrer maximalen Standardkapazität, dh mit 1,5 GHz. Der einzige Preis, der für diese Dienste zu zahlen ist, sind die zusätzlichen 0,6 W, die der Lüfter verbraucht.

Fan Shim sorgt für viel Spielraum: Selbst ein übertakteter Raspberry Pi 4 kann seinen thermischen Throttling-Punkt nicht erreichen. Daher ist dieses Zubehör ein Muss für alle, die Spitzenleistungen von ihrem Pi erwarten. Um ehrlich zu sein, konnten wir den Pi 4 nach unseren ersten Tests dazu bringen, mit angeschlossenem Fan Shim bis zu 2.147 MHz zu arbeiten und niemals ein Drosseln zu erkennen.

Software-gesteuerte Kühlung

Fan Shim hat einen anderen Betriebsmodus: die Softwaresteuerung über eine Python-basierte API. Mit ihm können Sie den Lüfter ein- und ausschalten – auch wenn Sie die Drehzahl nicht ändern möchten, es sei denn, Sie schalten ihn kurz hintereinander ein und aus, um ein PWM-Signal zu simulieren. Verwenden Sie dazu den Touch-Schalter und die RGB-LED.

Ein Beispielprogramm ist enthalten, das eine höhere Temperaturgrenze und eine Hysterese-Temperatur festlegt, die Pimoroni bei 65 ° C bzw. 5 ° C empfiehlt. Wenn diese Einstellungen verwendet werden, schaltet sich der Lüfter bei 65 ° C ein und die RGB-LED wechselt von rot zu grün. Anschließend kühlt er auf 60 ° C ab, bevor er sich ausschaltet und auf einen erneuten Temperaturanstieg wartet.

Raspberry Pi 4 Kühlkörper Vergleich

In diesem Fall hat der Raspberry Pi im Leerlauf die gleiche Temperatur wie die ungekühlte Standardversion: ca. 50 ° C. Der Lüfter startet erst, wenn die Temperatur 65 ° C erreicht hat. Anschließend besteht er den Test und aktiviert und deaktiviert sich selbst, um den Raspberry Pi 4 unter dieser Temperatur zu halten. Dies geschieht auf hervorragende Weise: Wie im immer aktiven Modus ist der SoC weit davon entfernt, den thermischen Drosselungspunkt zu erreichen, und der 10-minütige Test wird abgeschlossen, ohne dass ein einziges Drosselungsereignis aufgezeichnet wird. Das Gleiche gilt auch beim Übertakten, obwohl in diesem Fall der Lüfter schneller und häufiger eintritt, um die zusätzliche Wärme auszugleichen.

Kombinierte Kühlung

Die meisten Desktops und Laptops sind nicht nur auf einen Kühlkörper oder nur auf einen Lüfter angewiesen: Sie verwenden eine Kombination aus beiden, und Sie können dies auch mit Fan Shim und dem Pimoroni-Kühlkörper tun – auch wenn dies nicht von der Firma selbst empfohlen wird führten ihre eigenen Tests durch und stellten fest, dass die kombinierte Kühlung weniger effektiv ist als die einfache Verwendung von nur Fan Shim.

Um dies zu überprüfen, haben wir einen Test durchgeführt. Der Pimoroni-Kühlkörper mit im oberen Teil angeschlossenem Lüfter-Shim ist eine Lösung, bei der Pimoroni-Verlängerungsstifte oder Booster-Header am GPIO-Header installiert werden müssen. Ohne sie gibt es nicht genügend Stifte, damit Fan Shim in Position bleibt, ohne dass die Gefahr eines Sturzes besteht. Dadurch können die GPIO-Stifte auf dem Weg kurzgeschlossen und der Raspberry Pi 4 beschädigt werden.

Raspberry Pi 4 Kühlkörper Vergleich

Für diesen Test wurde der Fan Shim-Lüfter im softwaregesteuerten Modus mit demselben Temperaturziel wie zuvor von 65 ° C belassen. Das Ergebnis ist eine Grafik, die derjenigen sehr ähnlich ist, die nur mit dem angeschlossenen Lüfter-Shim erhalten wurde, mit dem Unterschied, dass dieser verlängert wird: Der Kühlkörper speichert effektiv die vom SoC erzeugte Wärme und verzögert den Moment, in dem der Lüfter-Shim aufleuchten muss. der Nachteil ist, dass es auch die Zeit verlängert, die benötigt wird, um es wieder herunterzufahren. Im Hinblick auf die tatsächliche Leistung besteht kaum ein Unterschied: Der SoC wird erneut so weit gekühlt, dass die Drosselung nicht ausgelöst wird.

Der Einfluss auf die Leistung

Die Möglichkeit, die Drosselung des Raspberry Pi 4 zu verhindern, hat einen echten und messbaren Einfluss auf die Leistung, auch wenn die messbare Wirkung ausschließlich von der Ausdehnung der Drosselung selbst abhängt. In unserer Testumgebung war die Reduzierung der Frequenzen bei einer stabilen Temperatur von 24,5 ° C nicht schlimm: Obwohl die CPU bei längerer Last häufig auf 1 GHz abfiel, kehrte sie dennoch schnell auf 1,5 GHz zurück. Heißdrosselung sollte früher und länger auftreten, was bedeutet, dass Kühllösungen einen größeren Einfluss auf die gemessene Leistung haben sollten.

Für diesen Test wurde der Raspberry Pi 4 angewiesen, eine auf einer USB 3.0-SSD gespeicherte 8-GB-Datei mit dem Multithread-Komprimierungsdienstprogramm lbzip2 zu komprimieren, während die erforderliche Zeit gemessen wurde. Das Komprimieren einer Datei dieser Größe auf dem Raspberry Pi 4 dauert normalerweise etwa zwanzig Minuten, etwa das Doppelte des synthetischen Belastungstests, und auf einem nicht gekühlten Raspberry Pi wird eine thermische Drosselung ausgelöst.

Raspberry Pi 4 Kühlkörper Vergleich

Es gibt keine großen Unterschiede zwischen den Ergebnissen, aber der Fan Shim hat zweifellos einen deutlichen Einfluss: Die Komprimierung eines ungekühlten Raspberry Pi 4 dauerte 22 Minuten und 14 Sekunden, während sie in 20 Minuten und vier Minuten abgeschlossen war Sekunden bei angeschlossenem Fan Shim – das spart über zwei Minuten – nur 10% mehr Leistung. Wenn die Operation jedoch länger gedauert hätte oder in einer wärmeren Umgebung stattgefunden hätte, wäre der Unterschied größer gewesen.

Für diejenigen, die die Idee, einen Lüfter in ihren Raspberry Pi 4 einbauen zu müssen, nicht mögen, ist der Kühlkörper eine mehr als gültige Alternative: Wenn nur der Kühlkörper angeschlossen ist, war der Benchmark in 20 Minuten und 23 Sekunden abgeschlossen – ein Anstieg von 8% im Vergleich zu den Ergebnissen des ungekühlten Pi 4, der leicht hinter den Ergebnissen des Fan Shim zurückblieb. Allerdings ist es unwahrscheinlich, dass der Kühlkörper im Gegensatz zum aktiven Lüfter in einer wärmeren Umgebung die gleichen Vorteile bietet, da er möglicherweise nicht in der Lage ist, die Wärme, die er leitet, relativ schnell oder bei einer längeren Arbeitsbelastung von mehr als 5 ° C abzuleiten zwanzig Minuten.

Schließlich hat sich die kombinierte Kühlkörperlösung Fan Shim plus innerhalb der Fehlergrenze in nahezu identischer Weise verhalten wie die Verwendung des Lüfters allein, es sei denn, Sie möchten die Aktivierungs- oder Abschaltzeit des Lüfters verringern, die zwischenzeitlich erzielt werden kann 'Auch über Software durch Erhöhen der Hysteresetemperatur gibt es nur einen kleinen Vorwand, um die beiden Lösungen zu kombinieren.

Schlussfolgerungen

Wenn Ihr Raspberry Pi 4 für dauerhafte Workloads verwendet wird, benötigen Sie eine Art Kühlung, um die maximale Leistung zu erzielen. Die Option mit passivem Kühlkörper ist zwar einfach und wirtschaftlich, stellt sich jedoch immer noch als Teillösung heraus. Das Fan Shim hingegen löst das Problem vollständig – oder es ist zumindest die einzige Lösung, mit der Sie den Pi 4 unter Last über 2 GHz übertakten können, ohne jemals thermisch gedrosselt zu werden.

Um das Haar im Ei suchen zu wollen, ist das, was es wirklich daran hindert, "die perfekte und endgültige Lösung" zu sein, die Tatsache, dass das Fan Shim höchstens in einer relativ offenen Umgebung wirksam ist oder wenn es mit einem Etui verwendet wird, wie der Pibow von Pimoroni, der es offen hält.

Wenn Fan Shim in einem geschlossenen Gehäuse wie dem offiziellen installiert wird, kann er unter hoher Arbeitsbelastung keine Leistung erbringen und einen Unterschied machen, und die thermische Drosselung ist etwas, dem Sie mit ziemlicher Sicherheit begegnen werden. Die Lösung: Suchen Sie nach belüfteten Häusern oder statten Sie sich – im Rahmen Ihres Bewusstseins – mit einer Bohrmaschine und einer Bohrmaschine aus – dem offiziellen Haus, um Lufteinlässe zu erzeugen.

In Umgebungen mit hoher Arbeitsbelastung oder in separaten Innenräumen ist jedoch beim Raspberry Pi 4 weder aktives noch passives Kühlungszubehör unbedingt erforderlich: Selbst wenn es seinen thermischen Throttling-Punkt erreicht, bleibt es außerordentlich leistungsfähig und schneidet gegenüber seinen Vorgängern ab und hohe temperaturen führen wahrscheinlich nicht zu dauerhaften schäden: der thermische drosselpunkt bei 80 ° c liegt immer noch deutlich unter den maximalen nennbetriebstemperaturen der komponenten. Sie können ruhig schlafen.

Wir erinnern daran, dass der passive Kühlkörper für Raspberry Pi 4 und Fan Shim auf der Pimoroni-Website verfügbar ist. Momentan sind die beiden nicht bei Amazon erhältlich, wo Sie andere Pimoroni-Produkte finden.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.