Зустрічайте нове покоління "Малинки" – Raspberry PI 5

Вступ

Чесно кажучи, з великим нетерпінням чекав на цей момент, бо як хтось кожен рік чекає на нові моделі яблучних смартфонів у встановлені попередньо терміни, то такі саме емоціє переповнюють зараз напередодні вихода в продаж нового покоління "Малини". Все йде до того, що в кінці жовтня будуть доставлені користувачам перші екземпляри по передзамовленню, отже ми маємо кілька тижнів на те, щоб детально вивчити цю довгоочікувану новинку та свідомо зробити свій вибір на користь (чи навпаки) неї.

Ця стаття призначена загальному огляду цієї моделі Raspberry Pi. Отже, почнемо!

 

 

А почнемо ми з невеликого вступу з історії.

В червні 2019 року Raspberry Pi Foundation випустила Raspberry Pi 4, перший справжній комп’ютер Raspberry Pi класу ПК. Завдяки чотирьохядерному процесору Arm Cortex-A72 із тактовою частотою 1,5 ГГц він був приблизно в сорок разів швидшим за оригінальну модель Raspberry Pi 2012 року. Для компанії-виробника цей час багато в чому був ідеальним: у березні наступного року школи закрилися, і мільйони школярів по всьому світу відправляли навчатися з дому. Десятки тисяч із них могли покластися на Raspberry Pi 4 як на свій основний ПК.

За чотири роки відтоді, Raspberry Pi 4 і його похідні Raspberry Pi 400 і Compute Module 4 стали фаворитами ентузіастів, педагогів і професійних інженерів-конструкторів у всьому світі. Сучасні комп’ютери Raspberry Pi 4 працюють на 20% швидше, ніж вихідний варіант, із тактовою частотою ядра 1,8 ГГц. За цей час виробник зіткнувся з великою кількістю викликів, які вплинули у тому числі на ланцюжок постачання електроніки, але незважаючи на них, за цей час було виготовлено та продано понад 14 мільйонів одиниць Raspberry Pi 4.

Отже, час не стоїть на місці, як і прагнення спільноти прихільників Raspberry до продуктивності. І з 2016 року (саме розквіту ери Raspberry Pi 3), Raspberry Pi Foundation почала працювати над значно більш радикальним оновленням платформи Raspberry Pi. Зараз, у 2023 році, ця спроба набуває результат у вигляді Raspberry Pi 5, що у порівнянні з Raspberry Pi 4 має в два-три рази більшу продуктивність ЦП і ГП; приблизно вдвічі більшу пропускна здатність пам'яті та вводу/виводу; і вперше встановлено чіп Raspberry Pi на флагманському пристрої Raspberry Pi.

 

І ще одна новина – нова операційна система!

Одночасно оновлюється і ПЗ: тож для нової моделі PI5 створено операційну систему, що заснована на останньому випуску Debian (та його похідному Raspbian) під кодовою назвою «Bookworm» і містить численні вдосконалення, зокрема перехід від X11 до композитора Wayfire Wayland на Raspberry Pi 4 і 5. Ця ОС Raspberry Pi буде запущена в середині жовтня 2023 та буде єдиною підтримуваною операційною системою першого виробника для Raspberry Pi 5. На момент виходу цієї ОС ми плануємо зробити окремий обзор, а завантажити її можна буде з офіційного сайту незадовго до появи Raspberry Pi 5 на прилавках.

 

А тепер трошки про вартість нової моделі.

Базова Raspberry Pi 5 буде продаватися за ціною 60 доларів США за варіант 4 ГБ і 80 доларів США за аналогічний варіант 8 ГБ (це без додавання місцевих податків у вашій країні). Практично кожен аспект платформи було оновлено, що забезпечує взаємодію з користувачем на новом рівні. Raspberry Pi 5 має нові функції, він більш ніж удвічі швидший за свого попередника Raspberry Pi 4, і це – перший комп’ютер Raspberry Pi із кремнієвим процесором, розробленим саме у Кембриджі (Великобританія).

 

Основні особливості нової моделі

Raspberry Pi 5 має:

• Чотирьохядерний 64-розрядний процесор Arm Cortex-A76 з частотою 2,4 ГГц
• Графічний процесор VideoCore VII з підтримкою OpenGL ES 3.1, Vulkan 1.2
• Подвійний вихід дисплея 4Kp60 HDMI®
• Декодер 4Kp60 HEVC
• Дводіапазонний Wi-Fi® 802.11ac
• Bluetooth 5.0 / Bluetooth Low Energy (BLE)
• Високошвидкісний інтерфейс карт пам'яті microSD з підтримкою режиму SDR104
• 2 × порти USB 3.0, що підтримують одночасну роботу на швидкості 5 Гбіт/с
• 2 × порти USB 2.0
• Gigabit Ethernet з підтримкою PoE+ (для використання цієї функції потрібно придбати окрему плату розширення PoE+ HAT, що вийде незабаром)
• 2 × 4-смугові MIPI camera/display трансивери
• Інтерфейс PCIe 2.0 x1 для швидкісної периферії
• Стандартний 40-контактний роз’єм GPIO Raspberry Pi
• Годинник реального часу
• Кнопка живлення

 

 

Давайте розглянемо ключові елементи нової платформи

Ми маємо три нові мікросхеми, кожну з яких розроблено спеціально для програми Raspberry Pi 5, що надали можливість кардинально збільшити продуктивність.

 

BCM2712

BCM2712 – це новий 16-нанометровий процесор додатків (AP, application processor) від Broadcom, створений на основі 28-нанометрового AP BCM2711, який працює на Raspberry Pi 4, з численними вдосконаленнями архітектури. Його серцем є чотирьохядерний 64-розрядний процесор Arm Cortex-A76 із тактовою частотою 2,4 ГГц, 512 КБ на ядро кеша L2 і 2 МБ спільного кеша L3. Cortex-A76 є трьома поколіннями мікроархітектури поза межами Cortex-A72 і пропонує як більше інструкцій на такт (IPC), так і меншу енергію на інструкцію. Поєднання новішого ядра, вищої тактової частоти та меншої геометрії процесу дає набагато швидший Raspberry Pi, який споживає набагато менше енергії для певного робочого навантаження.

Цей швидший ЦП доповнюється новішим, швидшим графічним процесором: VideoCore VII від Broadcom, розробленим у Кембриджі, з драйверами Mesa і з повністю відкритим кодом. Оновлений апаратний відеоскалер VideoCore (HVS) здатний керувати двома дисплеями 4Kp60 HDMI одночасно, замість одного 4Kp60 або двох 4Kp30 на Raspberry Pi 4. Декодер 4Kp60 HEVC і новий конвеєр датчика зображення (ISP), обидва розроблені в Raspberry Pi , доповнюють мультимедійну підсистему. Пропускна здатністью пам’яті забезпечена 32-розрядною підсистемоа LPDDR4X SDRAM, яка працює зі швидкістю 4267 МТ/с, порівняно з ефективними 2000 МТ/с на Raspberry Pi 4.

 

RP1

Попередні покоління Raspberry Pi були побудовані на монолітній архітектурі AP: тоді як деякі периферійні функції надавалися зовнішнім пристроям (контролер і концентратор USB Via Labs VL805 на Raspberry Pi 4, а також мікросхеми USB-концентратора LAN951x і LAN7515 і контролера Ethernet Microchip на попередніх моделях), практично всі функції введення/виведення були інтегровані в саму точку доступу. Ще на початку історії Raspberry Pi виробники зрозуміли, що в міру того, як переносити AP на все новіші вузли процесу, цей підхід згодом стане як технічно, так і економічно неприйнятним.

Raspberry Pi 5, навпаки, побудований на архітектурі дезагрегованого чіплета. Тут лише основні швидкі цифрові функції, інтерфейс SD-карти (з причин компонування плати) і найшвидші інтерфейси (SDRAM, HDMI і PCI Express) надаються точкою доступу. Усі інші функції вводу/виводу переносяться на окремий контролер вводу/виводу, реалізований на старішому, дешевшому вузлі процесу та підключається до точки доступу через PCI Express.

RP1 – це контролер вводу/виводу для Raspberry Pi 5, розроблений тією ж командою Raspberry Pi, яка поставила мікроконтролер RP2040, і реалізований, як і RP2040, на основі зрілого процесу 40LP TSMC. Він забезпечує два інтерфейси USB 3.0 і два USB 2.0; контролер Gigabit Ethernet; два чотирисмугових трансивера MIPI для камери та дисплея; аналоговий відеовихід; 3,3 В загального вводу-виводу (GPIO); і звичайна колекція GPIO-мультиплексованих низькошвидкісних інтерфейсів (UART, SPI, I2C, I2S і PWM). Чотирьохканальний інтерфейс PCI Express 2.0 забезпечує зворотний зв'язок 16 Гбіт/с з BCM2712.

Програма створення RP1 є найдовшою (почалась ще у 2016 році), найскладнішою та найдорожчою (бюджет 15 мільйонів доларів) програмою, яку коли-небудь реалізовували Raspberry Pi. Протягом багатьох років RP1 зазнав суттєвої еволюції, оскільки прогнозовані вимоги змінилися: крок C0, який використовується на Raspberry Pi 5, є третьою великою редакцією чіпа. І хоча його інтерфейси відрізняються в дрібних деталях від інтерфейсів BCM2711, вони були розроблені, щоб бути дуже схожими з функціональної точки зору, забезпечуючи високий ступінь сумісності з більш ранніми пристроями Raspberry Pi.

 

DA9091

BCM2712 і RP1 підтримуються третім новим компонентом чіпсета, мікросхемою управління живленням Renesas DA9091 «Gilmour» (PMIC). Вона інтегрує вісім окремих перемикачів джерел живлення для генерування різних напруг, необхідних платі, включаючи чотирифазне джерело живлення, здатне забезпечити 20 ампер струму для живлення ядер Cortex-A76 та іншої цифрової логіки в BCM2712.

Як і BCM2712, DA9091 є продуктом багаторічної спільної розробки. Тісна співпраця з командою Renesas в Единбурзі дозволила створити PMIC, який точно налаштований для необхідних потреб, а також було додано дві функції, які часто запитують:

• годинник реального часу (RTC), який може живитися від зовнішнього суперконденсатора або літій-марганцевого елемента, що перезаряджається;
• кнопка живлення у стилі ПК, що підтримує жорстке та м’яке вимикання та ввімкнення живлення.

Два інші елементи чіпсета були збережені з Raspberry Pi 4.

• Комбінований чіп Infineon CYW43455 забезпечує дводіапазонний Wi-Fi 802.11ac і Bluetooth 5.0 з Bluetooth Low-Energy (BLE); Хоча сам чіп не змінився, він оснащений спеціальною комутованою шиною живлення для меншого енергоспоживання та підключений до BCM2712 за допомогою оновленого інтерфейсу SDIO, який підтримує режим DDR50 для більшої потенційної пропускної здатності.
• Підключення до Ethernet, як і раніше, забезпечує Broadcom BCM54213 Gigabit Ethernet PHY; тепер він розташований під кутом 45 градусів, вперше для Raspberry Pi, і є джерелом тривалого розчарування для ентузіастів ортогонального компонування та технічного директора Гордона Холлінгворта.

 

Еволюція форм-фактора

Зовні Raspberry Pi 5 дуже нагадує своїх попередників. Але, зберігаючи загальний розмір кредитної картки, виробники скористалися можливістю оновити деякі елементи дизайну, щоб узгодити його з можливостями нового чіпсета.

• Було видалено чотириполюсний композитний відео та аналоговий аудіороз’єм із плати. Композитне відео, яке тепер генерується RP1, як і раніше доступне з пари 0,1-дюймових майданчиків на нижньому краю плати.
• Тепер  є пара роз’ємів FPC на місці, яке раніше займали чотириконтактний роз’єм і роз’єм камери. Це чотирисмугові інтерфейси MIPI, які використовують таку саму високу щільність контактів, що є на платі введення-виведення Compute Module різних поколінь; і вони є двонаправленими (трансиверними) інтерфейсами, тобто кожен з них може підключатися або до камери CSI-2, або до дисплея DSI.
• Простір ліворуч на платі, на місці де раніше був роз’єм дисплея, тепер розміщений менший роз’єм FPC, який забезпечує єдину смугу підключення PCI Express 2.0 для високошвидкісних периферійних пристроїв.
• Роз’єм Gigabit Ethernet повернувся до свого класичного положення в нижньому правому куті плати після короткого перебування у верхньому правому куті на Raspberry Pi 4. Крім того, він приніс із собою чотириконтактний роз’єм PoE, що спрощує компонування плати і сумісностьі з існуючими PoE та PoE+ HAT.

Нарешті, було додано пару монтажних отворів для радіатора, а також роз’єми JST для батареї RTC (два контакти), Arm Debug і UART (три контакти), а також вентилятора з ШІМ-регулюванням і зворотним зв’язком  (на чотири контакти). 

 

Розроблено в Кембриджі, виготовлено в Уельсі – Made in the UK

Як і всі флагманські продукти Raspberry Pi, Raspberry Pi 5 створено в технологічному центрі Sony UK у Пенкоеді, Південний Уельс. Raspberry Pi працює з Sony з моменту запуску першого комп’ютера Raspberry Pi у 2012 році, і використовує переваги виробництва своїх продуктів за кілька годин їзди від інженерно-конструкторського центру в Кембриджі: десятиліття постійної взаємодії з командою Sony допоміогли Raspberry зрозуміти, як розробляти продукти, які можна створювати надійно, дешево та у великих масштабах.

Raspberry Pi 5 знаменує впровадження низки виробничих інновацій. Одним із них є інтрузивне оплавлення для з’єднувачів, яке покращує механічну якість виробу, збільшує пропускну здатність і виключає дорогий та енергоємний процес селективного або хвильового паяння з виробничого потоку. Інші включають повністю розведену панель для більш чистих країв плати та новий підхід до виробничих випробувань, натхненний попереднім досвідом тестування мікроконтролера RP2040.

 

Аксесуари

Кожен новий флагманський продукт Raspberry Pi супроводжується новими аксесуарами, і Raspberry Pi 5 не є винятком. Зміни компонування, нові інтерфейси та значно вища пікова продуктивність (і менше збільшення пікового енергоспоживання) змусили виробника змінити дизайн деяких наявних аксесуарів і розробити деякі абсолютно нові.

 

Корпус

Оновлений корпус для Raspberry Pi 5, ціна якого становить 10 доларів США, ґрунтується на естетиці свого попередника Raspberry Pi 4, але додає безліч нових функцій для зручності використання та керування температурою.

Вбудований вентилятор 2,79 (макс.) CFM із підшипниками, що забезпечують низький рівень шуму та подовжений термін служби, підключається до чотириконтактного роз’єму JST на Raspberry Pi 5, щоб забезпечити охолодження з контрольованою температурою. Повітря всмоктується через 360-градусний отвір під кришкою, надувається через радіатор, прикріплений до BCM2712 AP, і випускається через роз’ємні отвори та вентиляційні отвори в основі.

Виробноки вдосконалили корпус і налаштували функції утримання, щоб можна було вставляти плату Raspberry Pi 5, не виймаючи SD-карту. Знявши верхню частину корпусу, тепер можна складати кілька корпусів, а також монтувати плвти розширення HAT на вентиляторі за допомогою проставок і подовжувачів роз’єму GPIO.

Як і всі пластикові вироби, новий корпус виготовляється партнерами T-Zero, у Вест-Мідлендсі, Великобританія.

 

Активний кулер

Raspberry Pi 5 був розроблений для обробки типових робочих навантажень клієнта без корпусу та без активного охолодження. Користувачі, які бажають використовувати плату без корпусу під тривалим великим навантаженням, без троттлинга, мають можливість додати активний охолоджувач за 5 доларів. Він кріпиться до плати за допомогою двох нових монтажних отворів і підключається до того ж чотириконтактного роз’єму JST, що й корпусний вентилятор.

Радіальна повітродувка вибрана для низького рівня шуму та подовженого терміну служби, проштовхує повітря через екструдований і фрезерований алюмінієвий радіатор. І корпус, і активний охолоджувач здатні утримувати Raspberry Pi 5 значно нижче температури троттлінга для типових температур навколишнього середовища та найвищих навантажень. Продуктивність охолодження Active Cooler дещо краща, що робить його особливо придатним для оверклокерів.

 

Джерело живлення USB-C потужністю 27 Вт

Raspberry Pi 5 споживає значно менше електроенергії та працює значно холодніше, ніж Raspberry Pi 4 за однакового робочого навантаження. Однак набагато вища продуктивність означає, що для найінтенсивніших робочих навантажень, зокрема для патологічних навантажень «power virus», пікове енергоспоживання зростає приблизно до 12 Вт проти 8 Вт для Raspberry Pi 4.

У разі використання стандартного адаптера живлення USB-C 5 В, 3 А (15 Вт) із Raspberry Pi 5 за замовчуванням повинно бути обмежено вихідний струм USB до 600 мА, щоб забезпечити достатній запас для підтримки цих робочих навантажень. Це менше, ніж обмеження в 1,2 А на Raspberry Pi 4, хоча загалом усе ще достатньо для керування мишами, клавіатурами та іншими малопотужними периферійними пристроями.

Для користувачів, які бажають керувати потужними периферійними пристроями, як-от жорсткі диски та SSD, зберігаючи запас для пікових робочих навантажень, виробник пропонує адаптер живлення USB-C за 12 доларів, який підтримує робочий режим 5 В, 5 А (25 Вт). Якщо мікропрограмне забезпечення Raspberry Pi 5 виявляє це джерело живлення, воно збільшує обмеження струму USB до 1,6 А, забезпечуючи 5 Вт додаткової потужності для вихідних USB-пристроїв і 5 Вт додаткового бортового бюджету живлення: благо для тих із вас, хто хоче експериментувати з розгоном вашого Raspberry Pi 5.

Слід зазначити, що користувачі мають можливість змінити ліміт струму, вказавши більше значення, навіть якщо використовують адаптер 3A. Під час тестування було виявлено, що в цьому режимі Raspberry Pi 5 ідеально працює з типовими конфігураціями пристроїв USB більшої потужності та з усіма, крім екстра навантажень.

 

Кабелі камери та дисплея

Нова розводка з більшою щільністю роз’ємів MIPI означає, що для підключення оригінальних камер і дисплеїв, а також продуктів сторонніх виробників до Raspberry Pi 5 потрібен адаптер.

Щоб підтримати існуючих власників камер і дисплеїв, було запропоновано кабелі FPC для камер і дисплеїв, які перетворюють формат вищої щільності (тепер його називають «mini») у старіший формат меншої щільності (тепер його називають «standard»). Ці кабелі доступні довжиною 200 мм, 300 мм і 500 мм за ціною 1, 2 і 3 долари відповідно.

Модуль камери Camera Module 3, високоякісна камера, камера з глобальним затвором і сенсорний дисплей постачатимуться разом із кабелем стандарт-стандарт і 200 мм міні-стандарт.

 

PoE+ HAT

З початку 2024 року буде випущено нову плату розширення PoE+ HAT. Вона підтримує нове розташування для чотириконтактного роз’єму PoE і має L-подібний форм-фактор, який дозволяє розміщувати її всередині корпусу Raspberry Pi 5 без механічного втручання або переривання потоку повітря.

Нова PoE+ HAT інтегрує планарний трансформатор у компонування друкованої плати та використовує оптимізовану архітектуру зворотно-поворотного перетворювача для підтримки високої ефективності в усьому діапазоні вихідної потужності від нуля до 25 Вт.

 

M.2 HATs

Одним із найцікавіших доповнень до набору функцій Raspberry Pi 5 є одноканальний інтерфейс PCI Express 2.0. Призначений для підтримки швидкісних периферійних пристроїв, він виставлений на 16-контактний роз’єм FPC з кроком 0,5 мм на лівій стороні плати.

З початку 2024 року буде запропоновано пару механічних адаптерних плат, які перетворюють цей роз’єм на підмножину стандарту M.2, дозволяючи користувачам підключати NVMe SSD та інші аксесуари формату M.2.

• Перша плата, що відповідає стандартному форм-фактору HAT, призначена для встановлення більших пристроїв.
• Друга, який має L-подібний форм-фактор нового PoE+ HAT, підтримує встановлення пристроїв формату 2230 та 2242 усередині корпусу Raspberry Pi 5.

Прототип більшого (стандартний форм-фактор HAT) M.2 HAT, встановленого на Raspberry Pi 5 (це прототип, тобто остаточний вид може відрізнятися):

 

Батарея RTC

І останнє, але не менш важливе: було додано літієво-марганцеву акумуляторну батарею Panasonic із попередньо встановленою двоконтактною вилкою JST і клейкою монтажною пластиною. Вона коштує 5 доларів і підходить для живлення годинника реального часу (RTC) Raspberry Pi 5, коли основне джерело живлення відключено.

 

 

Це, мабуть, все що заслуговує на окремий попередній огляд та є кроком уперед порівняно з моделлю Raspberry Pi 4. У наступних статтях ми розберемо систему активного охолодження та нову операційну систему для Raspberry Pi 5.