Unser Urteil
Der Pimoroni Fan Shim für Raspberry Pi 4 verhindert Throttling auch bei übertakteter Geschwindigkeit, funktioniert aber mit manchen Hats nicht.
Für
Unglaublich effektive Kühlung
Steigert die langfristige Leistung
Ruhig
Gegen
Inkompatibel mit I2S HATs
Bewegliche Teile
Button benötigt ein ausstehendes GPIO Zero-Software-Update
Der Raspberry Pi 4 ist ein leistungsstarkes Biest, das erheblich wärmer läuft als frühere Raspberry Pi-Boards. Während das offizielle Raspberry Pi Power-over-Ethernet (PoE) HAT-Add-on einen eingebauten Lüfter enthält, der die Dinge abkühlen kann, gibt es günstigere Optionen für diejenigen, die keine PoE-Unterstützung benötigen – wie einen passiven Kühlkörper oder einen aktiven Lüfter Shim-Zubehör von Pimoroni.
Mit diesem erschwinglichen Zubehör können Sie die thermische Drosselung begrenzen oder vollständig eliminieren, sodass Sie unabhängig von der Arbeitslast die maximale Leistung aus Ihrem Raspberry Pi 4 herausholen können, selbst wenn Sie übertaktet sind. Während der Kühlkörper für 2,50 $ / 2,40 £ praktisch und hilfreich ist, zeigen unsere Tests, dass der Pimoroni Fan Shim (10 $ / 9,60 £) viel effektiver ist. Tatsächlich können Sie damit Ihren Raspberry Pi 4 ohne Drosselung bis auf 2.147 MHz übertakten. Es ist jedoch mit einigen Hüten nicht kompatibel und hilft nicht in einem vollständig geschlossenen Gehäuse.
Das Problem: Thermisches Throttling
Wenn das System-on-Chip (SoC) des Raspberry Pi 4 eine bestimmte Temperatur erreicht – knapp über 80 Grad Celsius – verringert es seine Betriebsgeschwindigkeit, um sich vor Schäden zu schützen. Für alle, die den Raspberry Pi 4 für kurze, 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 das CPU-Throttling jedoch deutlich auf die Leistung auswirken.
Das obige Diagramm zeigt einen Raspberry Pi 4 ohne Gehäuse im Freien, der zehn Minuten lang eine intensive CPU- und GPU-Auslastung ausführt. Die Temperatur erreicht bald den Throttle-Punkt, und die CPU-Frequenz fällt nach drei Minuten und 43 Sekunden von den standardmäßigen 1,5 GHz auf 1 GHz, steigt jedoch schnell wieder an, wenn die Temperatur sinkt. Dieses Auf-und-Ab-Taktverhalten zieht sich bis zum Ende des Tests durch, wenn die Last entfernt wird und die CPU wieder auf ihre Leerlaufgeschwindigkeit von 600 MHz herunterfallen kann, um sich ordnungsgemäß zu erholen.
Das Problem wird nur verschärft, wenn Sie Ihren Pi übertakten: Das Erhöhen der CPU- oder GPU-Taktung erfordert zusätzliche Leistung, und diese zusätzliche Leistung wird zu zusätzlicher Wärme. Ein übertakteter Raspberry Pi 4 beginnt unter sonst gleichen Bedingungen schneller zu drosseln als einer, der auf Lager läuft, und wird wahrscheinlich mehr Zeit mit seinen gedrosselten Geschwindigkeiten verbringen.
Die passive Lösung: Der Kühlkörper von Pimoroni
Das Hinzufügen eines Kühlkörpers – ein einfaches Stück wärmeleitendes Metall, das typischerweise zu Rippen geformt ist und die Wärme vom SoC wegleitet und sie zur besseren Übertragung an die Umgebungsluft über eine größere Oberfläche verteilt – ist seit langem ein gängiges Upgrade für Raspberry Pi-Enthusiasten. Der Pimoroni-Kühlkörper, der speziell für den Raspberry Pi geformt ist, hat eine größere Stellfläche als die meisten anderen – er quetscht sich kaum zwischen den Display Serial Interface (DSI)-Anschluss links und den Camera Serial Interface (CSI)-Anschluss unten in der Mitte – im Austausch dafür eine geringe Höhe, die es ermöglicht, unter HAT-Zubehör in voller Größe zu passen, allerdings auf Kosten des Verlusts eines Großteils seines freien Luftstroms.
Die Kühlkörperoption hat gegenüber einer aktiven Lösung einige Vorteile: Zum einen ist sie völlig geräuschlos und mit 2,52 $ / 2,40 £ extrem günstig. Der Preis beinhaltet einen Klebestreifen auf der Rückseite, aber seltsamerweise hat sich Pimoroni nicht für ein echtes thermisches Schnittstellenmaterial (TIM) entschieden; Stattdessen ist der Klebestreifen 3M Double Coated Tissue Tape 9448A – normalerweise nicht zum Ankleben von Kühlkörpern an Chips verwendet, aber vom Hersteller dafür bekannt, dass es hohen Temperaturen standhält. Diejenigen, die ein Pimoroni Pibow Raspberry Pi 4-Gehäuse verwenden, werden auch einen neuen Ausschnitt in der oberen Platte finden, der Platz für den Kühlkörper zum Atmen bietet.
Die Installation des Kühlkörpers und das Ausführen des gleichen Benchmarks wie oben zeigen deutliche Auswirkungen: Der Raspberry Pi 4 startet bei einer geringfügig niedrigeren Temperatur und fährt mit einer langsameren, flacheren Kurve hoch. Es ist die Drosselung, bei der die größte Wirkung zu sehen ist: Dank des großen Aluminiumklumpens und seiner vergrößerten Oberfläche dauert es fast achteinhalb Minuten anhaltender Last, bis die CPU des Raspberry Pi 4 zu drosseln beginnt – eine ernsthafte Verbesserung gegenüber der Standardeinheit drei Minuten und 43 Sekunden.
Es reicht jedoch nicht aus, das Throttling vollständig zu verhindern – hier kommt die aktive Option ins Spiel.
Die aktive Lösung: Das Pimoroni Fan Shim
Das Fan Shim ist eine kleine, seltsam geformte Leiterplatte, die mit einem 30-mm-Lüfter geliefert wird. Nach dem Zusammenbau – ein Gehäuse mit zwei Schrauben, vier Muttern und dem Einclipsen des Stromanschlusses des Lüfters in einen Anschluss auf der Leiterplatte – kann die gesamte Baugruppe über den GPIO-Anschluss des Raspberry Pi geschoben werden. Im Gegensatz zu Lüfter-Add-Ons, die weniger als 10,08 $/9,60 £ des Fan Shim kosten, ist es auch möglich, den Lüfter per Software zu steuern – mit einem mitgelieferten Beispielprogramm –, während auf der Platine für immer eine taktile Taste und eine benutzeradressierbare RGB-LED vorhanden sind messen, obwohl die Schaltfläche auf dem Raspberry Pi 4 nicht funktioniert, bis eine aktualisierte GPIO-Zero-Python-Bibliothek zur Verfügung gestellt wird.
Theoretisch bedeutet das schlanke PCB des Fan Shim, dass es gleichzeitig mit den meisten HATs verwendet werden kann – allerdings nicht auf den GPIO-Pin BCM18, der alle Audio-Add-Ons mit I2S-Audio-Konnektivität wie Pimoronis eigenem pHAT DAC enthält. Die Installation eines Full-Size-Huts blockiert zwar den direkten Luftstrom von oben in den Lüfter, aber es gibt genug Lücke, um immer noch eine effektive Kühlung zu ermöglichen. Ein optionales Booster Header-Zubehör erhöht den HAT, um die Dinge weiter zu verbessern. Wie bei der Kühlkörperoption enthält das neue Pibow-Gehäuse eine Aussparung für die Lüfterscheibe und den Lüfter.
Standardmäßig dreht der Fan Shim auf seine vollen 4.200 U/min hoch, sobald der Raspberry Pi eingeschaltet wird. In diesem Modus ist seine Kühlleistung äußerst beeindruckend: Das SoC läuft im Leerlauf bei etwa 37 Grad Celsius in einer Umgebungstemperatur von 24,5 Grad Celsius und bleibt während des gesamten Tests unter 55 Grad Celsius. Dies liegt weit unter dem 80-Grad-Celsius-Throttle-Punkt des BCM2711B0-SoC des Raspberry Pi 4, sodass keine Throttle-Operationen aufgezeichnet werden – die CPU läuft durchgehend mit ihren vollen 1,5 GHz. Das hat allerdings seinen Preis: Der Lüfter zieht im laufenden Betrieb zusätzlich 0,6 W aus dem Netzteil.
Auch bei der Kühlleistung des Fan Shim gibt es viel Spielraum: Selbst ein übertakteter Raspberry Pi 4 kann daran gehindert werden, seinen thermischen Drosselpunkt zu erreichen, was ihn zu einem Muss für alle macht, die ihrem Pi Spitzenleistung entlocken wollen. Tatsächlich konnten wir nach unseren ersten Tests einen Pi 4 mit angebrachtem Lüfter-Shim auf bis zu 2.147 MHz bringen, und wir konnten überhaupt keine Drosselung feststellen.
Softwaregesteuerte Kühlung
Der Fan Shim hat aber noch einen anderen Betriebsmodus: Softwaresteuerung über eine Python-basierte Programmierschnittstelle (API). Auf diese Weise ist es möglich, den Lüfter ein- und auszuschalten – jedoch nicht in seiner Geschwindigkeit zu variieren, außer durch schnelles Ein- und Ausschalten, um ein PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) zu simulieren – und das Tastgefühl zu nutzen Schalter und RGB-LED.
Ein Beispielprogramm ist enthalten, das eine obere Temperaturgrenze und eine Hysteresetemperatur festlegt, die Pimoroni auf 65 Grad Celsius bzw. 5 Grad Celsius empfiehlt. Beim Betrieb mit diesen Einstellungen schaltet sich der Lüfter ein – und die RGB-LED wechselt von rot auf grün – bei 65 Grad Celsius und kühlt dann ab, bis 60 Grad Celsius erreicht sind, bevor er sich abschaltet und darauf wartet, dass die Temperatur wieder ansteigt.
Hier hat der Raspberry Pi im Leerlauf die gleiche Temperatur wie sein ungekühlter Serien-Inkarnation: rund 50 Grad Celsius. Der Lüfter dreht sich nicht, bis die Temperatur 65 Grad Celsius erreicht, und verbringt dann den Rest des Tests mit dem Ein- und Ausschalten, um den Raspberry Pi 4 unter seiner Zieltemperatur zu halten. Das gelingt ihm bewundernswert: Wie beim Always-On-Modus wird das SoC weit von seinem Drosselpunkt gehalten, und der zehnminütige Test endet, ohne dass ein einziger Drosselvorgang aufgezeichnet wird. Das Gleiche gilt auch beim Übertakten, allerdings springt der Lüfter schneller und häufiger ein, um die zusätzliche Wärme auszugleichen.
Kombinierte Kühlung
Die meisten Desktop- und Laptop-Computer sind nicht nur auf einen Kühlkörper oder nur einen Lüfter angewiesen; Sie verwenden eine Kombination aus beidem, und es ist auch möglich, dies mit dem Fan Shim und dem Kühlkörper zu tun – obwohl dies nicht von Pimoroni selbst empfohlen wird, das seine eigenen Tests durchgeführt und entgegen der Intuition festgestellt hat, dass die Kombination weniger effektiv gekühlt wird als die einfache Verwendung des Fan Shim allein.
Es gibt nur eine Möglichkeit, das zu überprüfen, wohlgemerkt: den gleichen Test selbst durchzuführen. Der Pimoroni-Kühlkörper mit oben angeschlossenem Fan Shim ist eine Kombination, die wirklich die Installation von Pin-Erweiterungen oder Pimoronis Booster-Header am GPIO-Header erfordert; Ohne sie gibt es nicht genug Pins für den Fan Shim, um ihn zu greifen, und es besteht die Gefahr, dass er herunterfällt – möglicherweise werden die GPIO-Pins auf dem Weg kurzgeschlossen und der Raspberry Pi 4 beschädigt.
Für diesen Test wird der Fan Shim im softwaregesteuerten Modus mit dem gleichen Temperaturziel von 65 Grad Celsius wie zuvor belassen. Das Ergebnis ist ein Diagramm, das der Verwendung des Fan Shims allein, nur gedehnt, bemerkenswert ähnlich sieht: Der Kühlkörper speichert effektiv die vom SoC erzeugte Wärme und verlangsamt die Zeit, bis das Fan Shim eingeschaltet werden muss; Der Nachteil ist, dass es auch die Zeit verlangsamt, die es braucht, um danach wieder abzuschalten. In Bezug auf die tatsächliche Leistung gibt es jedoch kaum einen Unterschied: Auch hier wird das SoC so weit gekühlt, dass es die CPU nicht mehr drosseln muss, um sich selbst zu schützen.
Der Leistungseinfluss
Die Möglichkeit zu verhindern, dass Ihr Raspberry Pi 4 drosselt, hat einen messbaren Einfluss auf die Leistung, obwohl wie messbar ganz davon abhängt, wie stark es drosselt. In unserer Testumgebung, die durchgehend bei stabilen 24,5 Grad Celsius lag, war das Throttling nicht schlimm: Während die CPU unter Dauerlast häufig auf 1 GHz abfiel, schnellte sie schnell wieder auf 1,5 GHz hoch. In einer wärmeren Umgebung würde das Throttling früher erfolgen und länger anhalten, was bedeutet, dass das Kühlzubehör einen größeren Einfluss auf die gemessene Leistung haben würde.
Für diesen Test wird der Raspberry Pi 4 angewiesen, eine 8-GB-Datei, die auf einer USB-3.0-SSD gespeichert ist, mit dem Multithread-Komprimierungsprogramm lbzip2 zu komprimieren, während die dafür benötigte Zeit gemessen wird. Das Komprimieren einer so großen Datei auf dem Raspberry Pi 4 dauert normalerweise etwa zwanzig Minuten, was ungefähr der doppelten synthetischen Last aus dem Drosselungstest entspricht, und löst auf einem ungekühlten Raspberry Pi eine thermische Drosselung aus.
Es gibt keine große Menge zwischen ihnen, aber der Fan Shim hat definitiv eine Wirkung: Der Komprimierungsvorgang dauerte 22 Minuten und 14 Sekunden auf einem ungekühlten Raspberry Pi 4, war aber mit dem angebrachten Fan Shim in 20 Minuten und vier Sekunden abgeschlossen, was über zwei Minuten einspart – knapp zehn Prozent Leistungsgewinn. Hätte die Operation länger gedauert oder in einer heißeren Umgebung stattgefunden, wäre der Unterschied größer.
Für diejenigen, die die Idee nicht mögen, ihrem Raspberry Pi 4 einen rotierenden Lüfter hinzuzufügen, ist der Kühlkörper eine realistische Alternative: Mit nur dem Kühlkörper ist der Benchmark in 20 Minuten und 23 Sekunden abgeschlossen – eine respektable Steigerung von acht Prozent gegenüber ungekühltem Standard , das nur geringfügig hinter dem Fan Shim zurückbleibt. Im Gegensatz zum Fan Shim bietet der Kühlkörper jedoch wahrscheinlich nicht die gleichen Vorteile in einer heißen Umgebung, in der er die Wärme, die er leitet, nicht schnell genug abführen kann, oder bei anhaltender Arbeitsbelastung von mehr als zwanzig Minuten.
Die kombinierte Lüfter-Shim- und Kühlkörper-Option hingegen funktionierte innerhalb der Fehlergrenze genauso wie die Verwendung des Lüfter-Shims allein – es sei denn, Sie möchten die Zeit reduzieren, die der Lüfter mit dem Ein- und Ausschalten verbringt, was Sie auch in der Software erreichen könnten durch die Hysteresetemperatur zu erhöhen, gibt es in der Praxis wenig Sinn, die beiden zu kombinieren.
Endeffekt
Wenn Ihr Raspberry Pi 4 für anhaltende Arbeitslasten verwendet wird, benötigen Sie eine Form der Kühlung, um das Beste daraus zu machen. Während die passive Kühlkörperoption einfach und billig ist, ist sie nur eine Teillösung; Im Gegensatz dazu löst der Fan Shim das Problem vollständig – oder zumindest größtenteils, während Sie Ihren Pi 4 weit über 2 GHz hinaus übertakten können.
Der Vorbehalt, der verhindert, dass es wirklich „vollständig“ gelöst wird: Das Fan Shim ist nur in einer relativ offenen Umgebung wirksam oder wenn es mit Fällen wie Pimoronis eigenem Pibow verwendet wird, die es unbedeckt lassen. Wenn der Fan Shim in einem geschlossenen Gehäuse wie dem offiziellen Raspberry Pi 4-Gehäuse installiert ist, kann er nur begrenzt viel leisten, und die Drosselung bei anhaltender Arbeitslast kann immer noch ein Problem darstellen. Die Lösung: Suchen Sie nach Gehäusen mit Belüftung oder nehmen Sie einen Bohrer zum offiziellen Gehäuse, um Ihr eigenes zu erstellen.
Abgesehen von bestimmten hohen Arbeitslasten und geschlossenen Umgebungen ist jedoch weder aktives noch passives Kühlzubehör für den Raspberry Pi 4 unbedingt erforderlich: Selbst wenn er seinen thermischen Drosselpunkt erreicht, ist er immer noch ein beeindruckend leistungsstarkes Upgrade gegenüber seinen Vorgängern, und es ist unwahrscheinlich, dass er heiß wird Boards keine dauerhaften Schäden – der Drosselpunkt von 80 Grad Celsius liegt bequem unter der maximalen Nennbetriebstemperatur der Komponenten.
Der Raspberry Pi 4 Heatsink und Fan Shim sind ab sofort bei Pimoroni erhältlich.
Raspberry Pi 4 Kühlkörper
Himbeer-Pi-4-Fan-Shim
Bildnachweis: Gareth Halfacree
