Встречайте новое поколение "Малинки" – Raspberry PI 5

Вступление

Честно говоря, с большим нетерпением ждал этого момента, примерно как некоторые каждый год ждут новых моделей яблочных смартфонов в установленные предварительно сроки, и такие же эмоции переполняют сейчас накануне выхода в продажу нового поколения "Малинки". Все идет к тому, что в конце октября будут доставлены пользователям первые экземпляры по предзаказу, так что у нас есть несколько недель на то, чтобы детально изучить эту долгожданную новинку и сознательно сделать свой выбор в пользу нее (ну или наоборот).

Эта статья предназначена для общего обзора модели Raspberry Pi 5. Итак, начнём!

 

 

А начнем мы с небольшого исторического обзора.

В июне 2019 Raspberry Pi Foundation выпустила Raspberry Pi 4, первый настоящий компьютер Raspberry Pi класса ПК. Благодаря четырехъядерному процессору Arm Cortex-A72 с тактовой частотой 1,5 ГГц он был примерно в сорок раз быстрее оригинальной модели Raspberry Pi 2012 года. Для компании-производителя это время во многом было идеальным: в марте последующего года школы закрылись и миллионы школьников по всему миру отправляли учиться удаленно из дома. Десятки тысяч из них могли положиться на Raspberry Pi 4, как на свой основной ПК.

За четыре года с тех пор Raspberry Pi 4 и его производные Raspberry Pi 400 и Compute Module 4 стали фаворитами энтузиастов, педагогов и профессиональных инженеров-конструкторов во всем мире. Современные компьютеры Raspberry Pi 4 работают на 20% быстрее исходного варианта с тактовой частотой ядра 1,8 ГГц. За это время производитель столкнулся с большим количеством вызовов, которые повлияли в том числе на цепочку поставки электроники, но несмотря на них, за это время было изготовлено и продано более 14 миллионов единиц Raspberry Pi 4.

Итак, время не стоит на месте, как и стремление сообщества поклонников Raspberry к производительности. И с 2016 года (именно расцвета эры Raspberry Pi 3), Raspberry Pi Foundation начала работать над значительно более радикальным обновлением платформы Raspberry Pi. Сейчас, в 2023 году, эта попытка приобретает результат в виде Raspberry Pi 5, что по сравнению с Raspberry Pi 4 имеет в два-три раза большую производительность ЦБ и ГП; примерно вдвое больше пропускной способности памяти и ввода/вывода; и впервые установлен свой чип Raspberry Pi на флагманском устройстве Raspberry Pi.

 

И еще одна новость – новая операционная система!

Одновременно обновляется и ПО: поэтому для новой модели PI5 создана операционная система, основанная на последнем выпуске Debian (и его производном Raspbian) под кодовым названием «Bookworm» и содержащая многочисленные усовершенствования, в частности переход от X11 к композитору Wayfire Wayland на Raspberry Pi 4 и 5. Эта ОС Raspberry Pi будет запущена в середине октября 2023 г. и будет единственной поддерживаемой операционной системой для Raspberry Pi 5. На момент выхода этой ОС мы планируем сделать отдельный обзор, а загрузить ее можно будет с официального сайта незадолго до появления Raspberry Pi 5 на прилавках.

 

А теперь немного о стоимости новой модели.

Базовая Raspberry Pi 5 будет продаваться по цене 60 долларов США за вариант 4 ГБ и 80 долларов США за аналогичный вариант 8 ГБ (это без добавления местных налогов в вашей стране). Практически каждый аспект платформы обновлялся, что обеспечивает взаимодействие с пользователем на новом уровне. Raspberry Pi 5 имеет новые функции, он более чем вдвое быстрее своего предшественника Raspberry Pi 4, и это первый компьютер Raspberry Pi с кремниевым процессором, разработанным именно в Кембридже (Великобритания).

 

Основные особенности новой модели

Raspberry Pi 5 имеет:

• Четырехъядерный 64-разрядный процессор Arm Cortex-A76 с частотой 2,4 ГГц
• Графический процессор VideoCore VII с поддержкой OpenGL ES 3.1, Vulkan 1.2
• Двойной выход дисплея 4Kp60 HDMI®
• Декодер 4Kp60 HEVC
• Двухдиапазонный Wi-Fi® 802.11ac
• Bluetooth 5.0/Bluetooth Low Energy (BLE)
• Высокоскоростной интерфейс карт памяти microSD с поддержкой режима SDR104
• 2× порта USB 3.0, поддерживающие одновременную работу на скорости 5 Гбит/с
• 2× порта USB 2.0
• Gigabit Ethernet с поддержкой PoE+ (для использования этой функции нужно приобрести отдельную плату расширения PoE+ HAT, которая выйдет уже скоро)
• 2 × 4-полосные MIPI camera/display трансиверы
• Интерфейс PCIe 2.0 x1 для скоростной периферии
• Стандартный 40-контактный разъем GPIO Raspberry Pi
• Часы реального времени
• Кнопку питания

 

 

Давайте рассмотрим ключевые элементы новой платформы.

Мы имеем три новых микросхемы, каждая из которых разработана специально для программы Raspberry Pi 5, предоставивших возможность кардинально увеличить производительность..

 

BCM2712

BCM2712 – это новый 16-нанометровый процессор приложений (AP, application processor) от Broadcom, созданный на основе 28-нанометрового AP BCM2711, работающего на Raspberry Pi 4, с многочисленными усовершенствованиями архитектуры. Его сердцем является четырехъядерный 64-разрядный процессор Arm Cortex-A76 с тактовой частотой 2,4 ГГц, 512 КБ на ядро кэша L2 и 2 МБ общего кэша L3. Cortex-A76 является третьм поколением микроархитектуры вне Cortex-A72 и предлагает как больше инструкций на такт (IPC), так и меньшую энергию на инструкцию. Сочетание новейшего ядра, более высокой тактовой частоты и меньшей геометрии процесса создает гораздо более быстрый Raspberry Pi, потребляющий гораздо меньше энергии для определенной рабочей нагрузки.

Этот более быстрый ЦП дополняется более новым, более быстрым графическим процессором: VideoCore VII от Broadcom, разработанным в Кембридже, с драйверами Mesa и полностью открытым кодом. Обновленный аппаратный видеоскалер VideoCore (HVS) способен управлять двумя дисплеями 4Kp60 HDMI одновременно, вместо одного 4Kp60 или двух 4Kp30 на Raspberry Pi 4. Декодер 4Kp60 HEVC и новый конвейер датчика изображения (ISP), оба разработаны в Raspberry Pi. Пропускная способность памяти снабжена 32-разрядной подсистемой LPDDR4X SDRAM, которая работает со скоростью 4267 МТ/с, по сравнению с эффективными 2000 МТ/с на Raspberry Pi 4.

 

RP1

Предыдущие поколения Raspberry Pi были построены на монолитной архитектуре AP: в то время как некоторые периферийные функции предоставлялись внешним устройствам (контроллер и концентратор USB Via Labs VL805 на Raspberry Pi 4, а также микросхемы USB-концентратора LAN951x и LAN7515 и контроллера Ethernet Microch) практически все функции ввода/вывода были интегрированы в саму точку доступа. Еще в начале истории Raspberry Pi производители поняли, что по мере того, как переносить AP на все более новые узлы процесса, этот подход впоследствии станет как технически, так и экономически неприемлемым.

Raspberry Pi 5, напротив, построен на архитектуре дезагрегированного чиплета. Здесь только основные быстрые цифровые функции, интерфейс SD-карты (по причине компоновки платы) и быстрые интерфейсы (SDRAM, HDMI и PCI Express) предоставляются точкой доступа. Все другие функции ввода/вывода переносятся на отдельный контроллер ввода/вывода, реализованный на более старом, более дешевом узле процесса и подключается к точке доступа через PCI Express.

RP1 – это контроллер ввода/вывода для Raspberry Pi 5, разработанный той же командой Raspberry Pi, которая разработала микроконтроллер RP2040, и как и RP2040, на основе зрелого процесса 40LP TSMC. Он обеспечивает два интерфейса USB 3.0 и два USB 2.0; контроллер Gigabit Ethernet; два четырехполосных трансивера MIPI для камеры и дисплея; аналоговый видеовыход; 3,3 В общего ввода-вывода (GPIO); и обычный набор GPIO-мультиплексированных низкоскоростных интерфейсов (UART, SPI, I2C, I2S и PWM). Четырехканальный интерфейс PCI Express 2.0 обеспечивает обратную связь 16 Гбит/с с BCM2712.

Программа создания RP1 является самой длинной (началась еще в 2016 году), самой сложной и дорогой (бюджет 15 миллионов долларов) программой, которую когда-либо реализовывали Raspberry Pi. В течение многих лет RP1 претерпел существенную эволюцию, поскольку прогнозируемые требования изменились: шаг C0, используемый на Raspberry Pi 5, является третьей крупной редакцией чипа. И хотя его интерфейсы отличаются в мельчайших деталях от интерфейсов BCM2711, они были разработаны, чтобы быть очень схожими с функциональной точки зрения, обеспечивая высокую степень совместимости с более ранними устройствами Raspberry Pi.

 

DA9091

BCM2712 и RP1 поддерживаются третьим новым компонентом чипсета, микросхемой управления питанием Renesas DA9091 «Gilmour» (PMIC). Она интегрирует восемь отдельных переключателей источников питания для генерирования различных напряжений, необходимых для платы, включая четырехфазный источник питания, способный обеспечить 20 ампер тока для питания ядер Cortex-A76 и другой цифровой логики в BCM2712.

Как и BCM2712, DA9091 является продуктом многолетней совместной разработки. Тесное сотрудничество с командой Renesas в Эдинбурге позволило создать PMIC, который точно настроен для необходимых нужд, а также были добавлены две часто запрашиваемые функции:

• часы реального времени (RTC), которые могут питаться от внешнего суперконденсатора или перезаряжаемого литий-марганцевого элемента;
• кнопка питания в стиле ПК, поддерживающая жесткое и мягкое выключение и включение питания.

Два других элемента чипсета были сохранены из Raspberry Pi 4.

• Комбинированный чип Infineon CYW43455 обеспечивает двухдиапазонный Wi-Fi 802.11ac и Bluetooth 5.0 с Bluetooth Low-Energy (BLE); Хотя сам чип не изменился, он оснащен специальной коммутируемой шиной питания для меньшего энергопотребления и подключен к BCM2712 с помощью обновленного SDIO интерфейса, который поддерживает режим DDR50 для большей потенциальной пропускной способности.
• Подключение к Ethernet по-прежнему обеспечивает Broadcom BCM54213 Gigabit Ethernet PHY; теперь он расположен под углом 45 градусов, впервые для Raspberry Pi, и является источником длительного разочарования для энтузиастов ортогональной компоновки и технического директора Гордона Холлингворта.

 

Еволюция форм-фактора

Внешне Raspberry Pi 5 очень напоминает своих предшественников. Но, сохраняя общий размер кредитной карты, производители воспользовались возможностью обновить некоторые элементы дизайна, чтобы согласовать его с возможностями нового чипсета.

• Было удалено четырехполюсное композитное видео и аналоговый аудиоразъем с платы. Композитное видео, которое теперь генерируется RP1, по-прежнему доступно с пары 0,1-дюймовых площадок на нижнем краю платы.
• Теперь есть пара разъемов FPC на месте, которое раньше занимали четырехконтактный разъем и разъем камеры. Это четырехполосные интерфейсы MIPI, которые используют такую же высокую плотность контактов, что есть на плате ввода-вывода Compute Module разных поколений; и они представляют собой двунаправленные (трансиверные) интерфейсы, то есть каждый из них может подключаться либо к камере CSI-2, либо к дисплею DSI.
• Пространство слева на плате, на месте где раньше был разъем дисплея, теперь расположен меньший разъем FPC, обеспечивающий единую полосу подключения PCI Express 2.0 для высокоскоростных периферийных устройств.
• Разъем Gigabit Ethernet вернулся к своему классическому положению в нижнем правом углу платы после короткого пребывания в верхнем правом углу на Raspberry Pi 4. Кроме того, он принес с собой четырехконтактный разъем PoE, упрощающий компоновку платы и совместимость с существующими PoE и PoE+ HAT.

Наконец, была добавлена пара монтажных отверстий для радиатора, а также разъемы JST для батареи RTC (два контакта), Arm Debug и UART (три контакта), а также вентилятора с ШИМ-регулировкой и обратной связью (на четыре контакта).

 

Разработано в Кембридже, изготовлено в Уэльсе – Made in the UK

Как и все флагманские продукты Raspberry Pi, Raspberry Pi 5 создана в технологическом центре Sony UK в Пенкоеде, Южный Уэльс. Raspberry Pi работает с Sony с момента запуска первого компьютера Raspberry Pi в 2012 году, и использует преимущества производства своих продуктов в нескольких часах езды от инженерно-конструкторского центра в Кембридже: десятилетие постоянного взаимодействия с командой Sony помогли понять, как можно создавать платы надежно, дешево и в больших масштабах.

Raspberry Pi 5 знаменует внедрение ряда производственных инноваций. Одним из них является интрузивная оплавка для соединителей, которая улучшает механическое качество изделия, увеличивает пропускную способность и исключает дорогостоящий и энергоемкий процесс селективной или волновой пайки из производственного потока. Друой пример включает в себя полностью разведенную панель для более чистых краев платы и новый подход к производственным испытаниям, вдохновленный предыдущим опытом тестирования микроконтроллера RP2040.

 

Аксессуары

Каждый новый флагманский продукт Raspberry Pi сопровождается новыми аксессуарами и Raspberry Pi 5 не является исключением. Изменения компоновки, новые интерфейсы и значительно более высокая пиковая производительность (и меньшее увеличение пикового энергопотребления) заставили производителя изменить дизайн некоторых имеющихся аксессуаров и разработать некоторые совершенно новые.

Корпус

Обновленный корпус Raspberry Pi 5, цена которого составляет 10 долларов США, базируется на эстетике своего предшественника Raspberry Pi 4, но добавляет множество новых функций для удобства использования и управления температурой.

Встроенный вентилятор 2,79 (макс.) CFM с подшипниками, обеспечивающими низкий уровень шума и продленный срок службы, подключается к четырехконтактному разъему JST на Raspberry Pi 5, чтобы обеспечить охлаждение с контролируемой температурой. Воздух всасывается через 360-градусное отверстие под крышкой, надувается через радиатор, прикрепленный к BCM2712 AP, и выпускается через разъемные и вентиляционные отверстия в основании.

Производители усовершенствовали корпус и настроили функции удержания, чтобы можно было вставлять плату Raspberry Pi 5, не вынимая SD-карту. Сняв верхнюю часть корпуса, теперь можно составлять несколько корпусов, а также монтировать пластины расширения HAT на вентиляторе с помощью проставок и удлинителей разъема GPIO.

Как и все пластиковые изделия, новый корпус производится партнерами T-Zero, в Вест-Мидлендсе, Великобритания.

 

Активный кулер

Raspberry Pi 5 разработан для обработки типовых рабочих нагрузок клиента без корпуса и без активного охлаждения. Пользователи, желающие использовать плату без корпуса под длительной большой нагрузкой, без троттлинга, могут добавить активную систему охлаждения за 5 долларов. Она крепится к плате с помощью двух новых монтажных отверстий и подключается к тому же четырехконтактному разъему JST, что и корпусной вентилятор.

Радиальная воздуходувка выбрана для низкого уровня шума и продленного срока службы, проталкивает воздух через экструдированный и фрезерованный алюминиевый радиатор. И корпус и активный охладитель способны удерживать Raspberry Pi 5 значительно ниже температуры троттлинга для типичных температур окружающей среды и высоких нагрузок. Производительность охлаждения Active Cooler несколько лучше, что делает его особенно подходящим для оверклокеров.

 

Источник питания USB-C мощностью 27 Вт

Raspberry Pi 5 потребляет значительно меньше электроэнергии и работает гораздо холоднее, чем Raspberry Pi 4 при одинаковой рабочей нагрузке. Однако гораздо более высокая производительность означает, что для наиболее интенсивных рабочих нагрузок, в частности для патологических нагрузок «power virus», пиковое энергопотребление возрастает примерно до 12 Вт против 8 Вт для Raspberry Pi 4.

При использовании стандартного адаптера питания USB-C 5 В, 3 А (15 Вт) с Raspberry Pi 5 по умолчанию должен быть ограничен выходной ток USB до 600 мА, чтобы обеспечить достаточный запас для поддержания этих рабочих нагрузок. Это меньше, чем ограничение в 1,2 А на Raspberry Pi 4, хотя в общем-то все еще достаточно для управления мышами, клавиатурами и другими маломощными периферийными устройствами.

Для пользователей, желающих управлять мощными периферийными устройствами, такими как жесткие диски и SSD, сохраняя запас для пиковых рабочих нагрузок, производитель предлагает адаптер питания USB-C за 12 долларов, поддерживающий рабочий режим 5 В, 5 А (25 Вт). Если микропрограммное обеспечение Raspberry Pi 5 обнаруживает этот источник питания, оно увеличивает ограничение тока USB до 1,6 А, обеспечивая 5 Вт дополнительной мощности для выходных USB-устройств и 5 Вт дополнительного бортового бюджета питания: благо для тех из вас, кто хочет экспериментировать с разгоном вашего Raspberry Pi 5.

Следует отметить, что пользователи могут изменить лимит тока, указав большее значение, даже если используют адаптер 3A. В ходе тестирования было обнаружено, что в этом режиме Raspberry Pi 5 идеально работает с типичными конфигурациями устройств USB большей мощности и со всеми, кроме экстра нагрузок.

 

Кабели камеры и дисплея

Новая разводка с большей плотностью разъемов MIPI означает, что для подключения оригинальных камер и дисплеев, а также продуктов сторонних производителей к Raspberry Pi 5 требуется адаптер.

Чтобы поддержать существующих владельцев камер и дисплеев, были предложены FPC кабели для камер и дисплеев, которые превращают формат более высокой плотности (теперь его называют «mini») в более старый формат меньшей плотности (теперь его называют «standard»). Эти кабели доступны длиной 200 мм, 300 мм и 500 мм по цене 1, 2 и 3 доллара соответственно.

Модуль камеры Camera Module 3, высококачественная камера, камера с глобальным затвором и сенсорный дисплей будут поставляться вместе с кабелем стандарт-стандарт и 200 мм мини-стандарт.

 

PoE+ HAT

С начала 2024 года будет выпущена новая плата расширения PoE+ HAT. Она поддерживает новое местоположение для четырехконтактного разъема PoE и имеет L-образный форм-фактор, позволяющий размещать ее внутри корпуса Raspberry Pi 5 без механического вмешательства или прерывания потока воздуха.

Новая PoE+ HAT интегрирует планарный трансформатор в компоновку печатной платы и использует оптимизированную архитектуру возвратно-поворотного преобразователя для поддержания высокой эффективности по всему диапазону выходной мощности от нуля до 25 Вт.

 

M.2 HATs

Одним из самых интересных дополнений в наборе функций Raspberry Pi 5 является одноканальный интерфейс PCI Express 2.0. Предназначенный для поддержки скоростных периферийных устройств, он выставлен на 16-контактный разъем FPC с шагом 0,5 мм на левой стороне платы.

С начала 2024 года будет предложена пара адаптерных плат, которые превращают этот разъем в подмножество стандарта M.2, позволяя пользователям подключать NVMe SSD и другие аксессуары формата M.2.

• Первая плата, соответствующая стандартному форм-фактору HAT, предназначена для установки более крупных устройств.
• Вторая, имеющая L-образный форм-фактор нового PoE+ HAT, поддерживает установку устройств формата 2230 и 2242 внутри корпуса Raspberry Pi 5.

Прототип большей (стандартный форм-фактор HAT) M.2 HAT, установленной на Raspberry Pi 5 (это прототип, то есть окончательный вид может отличаться):

 

Батарея RTC

И последнее, но не менее важное: была добавлена литиево-марганцевая аккумуляторная батарея Panasonic с предварительно установленной двухконтактной вилкой JST и клейкой монтажной пластиной. Она стоит 5 долларов и подходит для питания часов реального времени (RTC) Raspberry Pi 5, когда основной источник питания отключен.

 

 

Это, пожалуй, все, что заслуживает отдельного предварительного обзора и является шагом вперед по сравнению с моделью Raspberry Pi 4. В следующих статьях мы разберем систему активного охлаждения и новую операционную систему Raspberry Pi 5.