Нагрев и охлаждение Raspberry Pi 5

Каждый раз, когда выходит новый Raspberry Pi, вокруг теплового контроля новой платы возникают дискуссии. Люди хотят знать, необходимо ли это в принципе, и если так, что вам необходимо предпринять. В этой статье спецтально для Raspberry Pi 5, мы тестируем два новых официальных аппаратных решения для охлаждения.

Для нормального использования вашего Raspberry Pi добавлять охлаждение совсем необязательно. Производительность Raspberry Pi 4 и Raspberry Pi 5 в режиме ожидания примерно одинакова, и при типовых нагрузках Raspberry Pi 5 будет работать более прохладным, чем Raspberry Pi 4 с подобными нагрузками. Однако сильная непрерывная нагрузка будет означать, что плата потенциально может выйти из строя в тепловой тротлинг. Регулировка происходит автоматически, и есть программное управление для ограничения скорости ЦБ, чтобы все не слишком перегрелось. Хотя даже при полном тротлинге Raspberry Pi 5 все равно будет работать быстрее, чем Raspberry Pi 4!

Было проведено несколько тестов, чтобы помочь вам решить, нужно ли охлаждать вам свой собственный Raspberry Pi 5.

Как мы измеряем температуру процессора

Команда vcgencmd является чрезвычайно полезным источником информации о вещах, происходящих на вашем Raspberry Pi, и привязки Python покрывают все это и позволяют программно контролировать почти все, что требует мониторинга. Здесь мы будем использовать привязки vcgencmd Python для мониторинга и регистрации температуры, а также текущей тактовой частоты процессора и текущего состояния дросселирования в файле.

import sys
import os
import time

from vcgencmd import Vcgencmd

def main():
    start_time = time.time()
    fb = open("/home/pi/readings.txt","a+")
    fb.write("Elapsed Time (s),Temperature (°C),Clock Speed (MHz),Throttled\n")
    vcgm = Vcgencmd()
    while True:
        temp = vcgm.measure_temp()
        clock = int(vcgm.measure_clock('arm')/1000000)
        throttled = vcgm.get_throttled()['breakdown']['2']
        
        string = '%.0f,%s,%s,%s\n' % ((time.time() - start_time),temp,clock,throttled)
        print(string, end='')
        fb.write(string)
        time.sleep(1)

if __name__ == '__main__':
    main()

Когда мы запустим сценарий в окне терминала, мы можем открыть другой и начать стресс тест на всех четырех ядрах, чтобы загрузить ЦБ. Для этого воспользуемся инструментом командной строки stress, чтобы усилить нагрузку на все четыре ядра ЦБ.

$ sudo apt install stress
$ stress --cpu 4

Во избежание перегрева все платы Raspberry Pi начинают тормозить процессор, когда температура достигает 80°C, и тормозить еще больше, когда он достигает максимальной температуры 85°C.

Без охлаждения

Первое, что нужно сделать, это измерить что происходит, когда Raspberry Pi 5 не охлаждается. Без какого-либо охлаждения температура процессора Raspberry Pi 5 в режиме ожидания составляет около 65°C.

Температура процессора в °C против времени в секундах. В момент T=T₀ началось стресс-тестирование:

Для обычного использования добавление охлаждения необязательно. Если вы просматриваете видео на YouTube или работаете за настольным компьютером, вы не будете нагружать ЦБ, как это было в этом тесте. Но, как ни странно, с высокой длительной нагрузкой, которую мы накладываем на ЦБ без охлаждения, максимальная температура поднимается, а затем остается стабильной чуть выше 85°C во время длительного тестирования. Это приводит к длительному тепловому троттлингу после того, как температура, сообщаемая процессором, превысит границы троттлинга.

Установка активной системы охлаждения

Затем был проведен тот же тест с управляемым активным охлаждением с помощью нового активного вентилятора, а затем с установленным активным охладителем, но с отключенным охлаждающим вентилятором. Оба эти теста проводились с Raspberry Pi под открытым небом на лабораторном столе.

Активный охладитель – это цельный анодированный алюминиевый радиатор со встроенным вентилятором. Он имеет предварительно установленные термопрокладки для передачи тепла и крепится к плате Raspberry Pi 5 напрямую с помощью пружинных штифтов. Им активно управляет микропрограмма Raspberry Pi: при 60°C включается вентилятор , при 67,5°C скорость вентилятора увеличивается и, наконец, при 75°C вентилятор разгоняется до полной скорости. Когда температура снова опускается ниже этих пределов, вентилятор охлаждения автоматически регулируется в обратном порядке.

Температура процессора в °C против времени в секундах. В момент T=T₀ началось стресс-тестирование:

Благодаря пассивному радиатору с активным охладителем мы видим гораздо более низкую температуру простоя, около 45°C. При длительном тестировании под нагрузкой вентилятор кулера вращается на низкой скорости, чтобы стабилизировать температуру процессора на уровне 60°C, причем во время тестирования максимальная температура составляет от 62 до 63°C.

Тепловое изображение Raspberry Pi 5 под нагрузкой (слева) и с активным охладителем (справа):

Уровень шума от 35 до 40 дБ был измерен при испытании нагрузкой во время работы вентилятора – это примерно столько шума, сколько вы создадите, листая страницы книги. Во время расширенного стресс-тестирования вентилятору никогда не требовалось работать на полной скорости, чтобы поддерживать контроль температуры Raspberry Pi.

Если отключить вентилятор и полагаться исключительно на пассивное охлаждение, снабжаемое алюминиевым радиатором, температура простоя похожа; но под длительной нагрузкой температура процессора в конце концов достигает точки теплового троттлинга приблизительно через T₀ + 200 секунд.

Повторное подключение кабеля заставляет вентилятор сразу раскручиваться на полную скорость, а когда нагрузка снята, ЦП снова охлаждается до температуры бездействия около 45°C в течение следующих 300 секунд, при этом вентилятор возвращается к более низким оборотам, когда температура приходит в норму.

Ну а что же с платами расширения?

Большой вопрос, который возникнет у многих людей на этом этапе: что произойдет, если вы подключите плату расширения?

Что ж, можно установить HAT над Active Cooler с помощью набора 16-миллиметровых расширителей GPIO. Неизбежно возникает некоторое нарушение воздушного потока, которое приведет к тому, что Raspberry Pi будет нагреваться, но Active Cooler все еще способен выдерживать длительные стресс-тесты без перепадов температуры.

Новый Raspberry Pi 5 с активным охладителем и прототип будущего M.2 HAT:

Тестирование проводилось с прототипом новой M.2 HAT с загрузкой Raspberry Pi с диска NVMe – так как, что это будет довольно распространенный случай использования Raspberry Pi 5 – и просто напоминание: единственное, что вам действительно нужно помнить о прототипе M.2 HAT , это то, что серийная версия почти неизбежно не будет похожа на ту, что на этом изображении!

С M.2 HAT, установленным над Active Cooler, температура простоя Raspberry Pi была несколько выше, чем без HAT и составляла около 49°C.

Температура процессора в °C против времени в секундах. В момент T=T₀ началось стресс-тестирование:

Под постоянной нагрузкой температура процессора сначала поднялась до второй точки запуска 67,5°C, раскручивая охлаждающий вентилятор с низкой до средней скорости. Однако это быстро снизило температуру процессора ниже точки запуска, что, в свою очередь, снизило скорость вентилятора до более низкого значения. Затем температура процессора стабилизировалась на уровне около 64 °C в течение остального длительного тестирования.

Использование нового корпуса

Следующим на стенде был новый корпус с вентилятором. Был снят Active Cooler с платы и Raspberry Pi 5 был вставлен в новый корпус. Новый корпус состоит из четырех компонентов; основание, к которому крепится Raspberry Pi, затем рама и вентилятор и, наконец, крышка, которая крепится сверху:

Как и Active Cooler, блоком вентиляторов активно управляет микропрограмма Raspberry Pi: при 60°C включается вентилятор, при 67,5°C скорость вентилятора увеличивается, и, наконец, при 75°C вентилятор увеличивает обороты до полной мощности. Когда температура снова опускается ниже этих пределов, вентилятор автоматически начинает вращаться медленнее.

Тестирование проводилось так же, как и прежде, сначала с установленным вентилятором, но со снятой крышкой. Затем снова с обоими блоками вентиляторов на месте, и в этот раз с крышкой, закрепленной сверху.

Температура процессора в °C против времени в секундах. В момент T=T₀ началось стресс-тестирование:

Используя корпус вентилятора, мы видим, что температура в режиме ожидания на пару градусов выше, чем у отдельного активного кулера около 48 °C. Со снятой крышкой мы видим максимальную температуру примерно 72°C под длительной нагрузкой, а с крышкой на месте видим несколько выше максимум около 74°C под нагрузкой.

Мы видим, что хотя температура под нагрузкой выше, чем у Active Cooler, максимальная температура под нагрузкой все еще значительно ниже температур троттлинга 80 и 85°C.

Выводы

Для обычного использования добавление охлаждения необязательно, хотя производительность может быть улучшена активным охлаждением. Однако большая непрерывная нагрузка, такая как перестройка ядра Linux, заставит новый Raspberry Pi 5 перейти к тепловому троттлингу.

Для значительных нагрузок терморегулирование может увеличить время обработки, и пассивное охлаждение, вероятно, будет недостаточным для теплового управления в этом случае.

Температура процессора в °C против времени в секундах. В момент T=T₀ началось стресс-тестирование:

Итак, выбирая решения для охлаждения, вы должны рассмотреть, для чего вы собираетесь использовать свой Raspberry Pi 5, и принять решение по охлаждению на основе этого, а не просто произвольное добавление охлаждения. Потому что для многих обыденных случаев использования это не пригодится.

Охлаждение любого типа не обязательно, ваш Raspberry Pi не выйдет из строя, если его оставить без охлаждения – и даже во время троттлинга под большой нагрузкой Raspberry Pi 5 все еще быстрее, чем Raspberry Pi 4 без троттлинга.