Il nostro verdetto
Il Pimoroni Fan Shim per Raspberry Pi 4 previene il throttling anche a velocità overcloccata, ma non funzionerà con alcuni cappelli.
Per
Raffreddamento incredibilmente efficace
Aumenta le prestazioni a lungo termine
Tranquillo
Contro
Incompatibile con I2S HAT
Parti mobili
Button necessita di un aggiornamento software GPIO Zero in sospeso
Il Raspberry Pi 4 è una bestia potente, molto più calda rispetto alle precedenti schede Raspberry Pi. Mentre il componente aggiuntivo HAT Raspberry Pi Power-over-Ethernet (PoE) ufficiale include una ventola integrata che può raffreddare le cose, ci sono opzioni più economiche per coloro che non hanno bisogno del supporto PoE, come un dissipatore di calore passivo o una ventola attiva Shim accessorio di Pimoroni.
Questi accessori convenienti ti consentono di limitare o eliminare completamente la limitazione termica in modo da poter ottenere le massime prestazioni dal tuo Raspberry Pi 4, indipendentemente dal carico di lavoro, anche se sei overcloccato. Mentre il dissipatore di calore da $ 2,50 / £ 2,40 è comodo e utile, i nostri test mostrano che il Pimoroni Fan Shim ($ 10 / £ 9,60) è molto più efficace. In effetti, ti consente di overcloccare il tuo Raspberry Pi 4 fino a 2.147 MHz senza alcuna limitazione. Tuttavia, è incompatibile con alcuni cappelli e non aiuta in una custodia completamente chiusa.
Il problema: limitazione termica
Quando il system-on-chip (SoC) del Raspberry Pi 4 raggiunge una certa temperatura, appena sopra gli 80 gradi Celsius, riduce la sua velocità operativa per proteggersi dai danni. Per chiunque utilizzi Raspberry Pi 4 per attività brevi e computazionalmente impegnative come la navigazione sul Web, la modifica di un documento o la programmazione in Scratch o Python, non è un problema. Sotto carico sostenuto, tuttavia, il throttling della CPU può avere un impatto reale sulle prestazioni.
Il grafico sopra mostra un Raspberry Pi 4, senza custodia all’aria aperta, che esegue un carico di lavoro intensivo di CPU e GPU per dieci minuti. La temperatura raggiunge presto il punto di accelerazione e la frequenza della CPU può essere vista scendere da 1,5 GHz di serie a 1 GHz dopo tre minuti e 43 secondi, anche se è rapidamente risalita quando la temperatura scende. Questo comportamento di clock su e giù dura fino alla fine del test, quando il carico viene rimosso e la CPU può tornare alla sua velocità di inattività di 600 MHz per riprendersi correttamente.
Il problema si aggrava solo se overclocca il tuo Pi: aumentare il clock della CPU o della GPU richiede potenza extra e quella potenza extra diventa calore extra. Un Raspberry Pi 4 overcloccato, a parità di condizioni, inizierà a rallentare più velocemente di uno in esecuzione a stock ed è probabile che trascorrerà più tempo alle sue velocità ridotte.
La soluzione passiva: il dissipatore Pimoroni
L’aggiunta di un dissipatore di calore – un semplice pezzo di metallo termoconduttivo, tipicamente sagomato in alette, che funziona per condurre il calore lontano dal SoC e diffonderlo su una superficie più ampia per un migliore trasferimento all’aria circostante – è stato a lungo un aggiornamento comune per Appassionati di Raspberry Pi. Il dissipatore di calore Pimoroni, appositamente sagomato per il Raspberry Pi, ha un ingombro maggiore rispetto alla maggior parte – stringe a malapena tra il connettore Display Serial Interface (DSI) a sinistra e il connettore Camera Serial Interface (CSI) al centro-in basso – in cambio di un’altezza ridotta che gli consente di adattarsi agli accessori HAT di dimensioni standard, anche se a costo di perdere gran parte del suo flusso d’aria libero.
L’opzione del dissipatore di calore ha un paio di vantaggi rispetto a una soluzione attiva: è completamente silenziosa, per esempio, ed è estremamente a basso costo a $ 2,52 / £ 2,40. Il prezzo include una striscia adesiva sul retro, ma stranamente Pimoroni non ha optato per un vero materiale di interfaccia termica (TIM); invece, la striscia adesiva è 3M Double Coated Tissue Tape 9448A, non tipicamente utilizzato per far aderire i dissipatori di calore ai chip, ma noto dal produttore per resistere bene alle alte temperature. Coloro che utilizzano una custodia Pimoroni Pibow Raspberry Pi 4 troveranno anche un nuovo ritaglio nel pannello superiore, che offre spazio per la respirazione del dissipatore di calore.
L’installazione del dissipatore di calore e l’esecuzione dello stesso benchmark di cui sopra mostra un impatto preciso: il Raspberry Pi 4 parte a una temperatura leggermente inferiore e sale su una curva più lenta e meno profonda. È il throttling dove si può vedere l’impatto maggiore: grazie al grande pezzo di alluminio e alla sua maggiore superficie, ci vogliono quasi otto minuti e mezzo di carico sostenuto prima che la CPU del Raspberry Pi 4 inizi a rallentare, un serio miglioramento rispetto all’unità di serie tre minuti e 43 secondi.
Tuttavia, non è sufficiente prevenire completamente la limitazione, ed è qui che entra in gioco l’opzione attiva.
La soluzione attiva: il fan Shim Pimoroni
Il Fan Shim è un piccolo PCB dalla forma strana che viene fornito in bundle con una ventola da 30 mm. Una volta assemblato – una custodia di due bulloni, quattro dadi e clip nell’intestazione di alimentazione della ventola a un connettore sul PCB – l’intero gruppo può essere fatto scivolare sopra l’intestazione GPIO del Raspberry Pi. A differenza dei componenti aggiuntivi della ventola che costano meno di $ 10,08 / £ 9,60 del Fan Shim, è anche possibile controllare la ventola tramite software – con un programma di esempio incluso – mentre sulla scheda sono presenti un pulsante tattile e LED RGB indirizzabili dall’utente per sempre misura, anche se il pulsante non funzionerà su Raspberry Pi 4 fino a quando non sarà resa disponibile una libreria GPIO Zero Python aggiornata.
In teoria, il sottile PCB del Fan Shim significa che può essere utilizzato contemporaneamente alla maggior parte degli HAT, sebbene non faccia affidamento sul pin GPIO BCM18, che include eventuali componenti aggiuntivi audio che utilizzano la connettività audio I2S come il DAC pHAT di Pimoroni. L’installazione di un cappello a grandezza naturale blocca il flusso d’aria diretto nella ventola dall’alto, ma c’è abbastanza spazio per essere ancora in grado di raffreddare efficacemente; un accessorio opzionale Booster Header alza il cappello per migliorare ulteriormente le cose. Come con l’opzione del dissipatore di calore, la nuova custodia Pibow include un ritaglio per lo spessore della ventola e la ventola.
Per impostazione predefinita, il Fan Shim gira fino a 4.200 RPM non appena il Raspberry Pi viene acceso. In questa modalità, le sue prestazioni di raffreddamento sono estremamente impressionanti: il SoC è inattivo a circa 37 gradi Celsius in un ambiente ambiente di 24,5 gradi Celsius e rimane al di sotto dei 55 gradi Celsius per tutto il test. Questo è ben al di sotto del punto di accelerazione di 80 gradi Celsius del SoC BCM2711B0 del Raspberry Pi 4, quindi non vengono registrate operazioni di accelerazione: la CPU funziona a 1,5 GHz a pieno regime. C’è un costo, tuttavia: la ventola assorbe altri 0,6 W dall’alimentatore durante il funzionamento.
C’è anche molto margine nelle prestazioni di raffreddamento del Fan Shim: anche un Raspberry Pi 4 overcloccato può essere impedito di raggiungere il suo punto di accelerazione termica, rendendolo un must per chiunque cerchi di ottenere le massime prestazioni dal proprio Pi. Infatti, dopo i nostri test iniziali, siamo stati in grado di ottenere un Pi 4 fino a 2.147 MHz con lo spessore della ventola collegato e non abbiamo riscontrato alcun throttling.
Raffreddamento controllato da software
Il Fan Shim ha un’altra modalità operativa, tuttavia: controllo software tramite un’interfaccia di programmazione dell’applicazione (API) basata su Python. In questo modo è possibile accendere e spegnere la ventola – ma non per variarne la velocità, se non accendendola e spegnendola in rapida successione per simulare un segnale di modulazione di larghezza di impulso (PWM) – e utilizzare il interruttore e LED RGB.
È incluso un programma campione che imposta un limite di temperatura superiore e una temperatura di isteresi, che Pimoroni consiglia di impostare rispettivamente a 65 gradi Celsius e 5 gradi Celsius. Quando funziona con queste impostazioni, la ventola si accende – e il LED RGB passa dal rosso al verde – a 65 gradi Celsius, quindi si raffredda fino a raggiungere i 60 gradi Celsius prima di spegnersi e attendere che la temperatura salga di nuovo.
Qui il Raspberry Pi gira al minimo alla stessa temperatura della sua incarnazione di scorta non raffreddata: circa 50 gradi Celsius. La ventola non si avvia fino a quando la temperatura non raggiunge i 65 gradi Celsius, quindi trascorre il resto del test attivando e disattivando per mantenere il Raspberry Pi 4 al di sotto della sua temperatura target. Lo fa in modo ammirevole: come con la modalità sempre attiva, il SoC è tenuto lontano dal suo punto di accelerazione e il test di dieci minuti viene completato senza che venga registrata una singola operazione di accelerazione. Lo stesso vale anche per l’overclocking, anche se la ventola si attiva più rapidamente e più spesso per compensare il calore aggiuntivo.
Raffreddamento combinato
La maggior parte dei computer desktop e laptop non si basa solo su un dissipatore di calore o solo su una ventola; usano una combinazione di entrambi, ed è possibile farlo anche con il Fan Shim e il dissipatore di calore, anche se non è raccomandato dalla stessa Pimoroni, che ha effettuato i propri test e controintuitivamente ha riscontrato che la combinazione si è raffreddata in modo meno efficace rispetto al semplice utilizzo del Fan Shim da solo.
C’è solo un modo per verificarlo, intendiamoci: eseguire noi stessi lo stesso test. Il dissipatore di calore Pimoroni con Fan Shim collegato sulla parte superiore è una combinazione che richiede davvero l’installazione di estensioni pin o Booster Header di Pimoroni sull’intestazione GPIO; senza di loro, non c’è abbastanza pin per la presa del Fan Shim e corre il rischio di cadere, potenzialmente cortocircuitando i pin GPIO sulla sua strada, danneggiando il Raspberry Pi 4.
Per questo test, il Fan Shim viene lasciato in modalità controllata da software con lo stesso target di temperatura di 65 gradi Celsius di prima. Il risultato è un grafico che sembra notevolmente simile all’utilizzo del solo Fan Shim, solo allungato: il dissipatore di calore immagazzina efficacemente il calore generato dal SoC, rallentando il tempo prima che il Fan Shim abbia bisogno di accendersi; il rovescio della medaglia è che rallenta anche il tempo necessario per spegnere di nuovo in seguito. In termini di prestazioni effettive, però, c’è poca differenza: ancora una volta il SoC è raffreddato al punto da non aver bisogno di strozzare la CPU per proteggersi.
L’impatto sulle prestazioni
Essere in grado di impedire il throttling del tuo Raspberry Pi 4 ha un impatto misurabile sulle prestazioni, anche se quanto misurabile dipenderà interamente dal livello di throttling. Nel nostro ambiente di test, che era stabile a 24,5 gradi Celsius, il throttling non era terribile: mentre la CPU scendeva spesso a 1 GHz sotto carico sostenuto, tornava rapidamente a 1,5 GHz. In un ambiente più caldo la limitazione si verificherebbe prima e si manterrebbe più a lungo, il che significa che gli accessori di raffreddamento avrebbero un impatto maggiore sulle prestazioni misurate.
Per questo test, al Raspberry Pi 4 viene richiesto di comprimere un file da 8 GB archiviato su un SSD USB 3.0, utilizzando l’utilità di compressione lbzip2 multi-thread, mentre viene misurato il tempo necessario. La compressione di un file così grande sul Raspberry Pi 4 richiede in genere circa venti minuti, circa il doppio del carico sintetico dal test dell’acceleratore e su un Raspberry Pi non raffreddato si attiva la limitazione termica.
Non c’è una grande quantità tra di loro, ma il Fan Shim ha sicuramente un impatto: l’operazione di compressione ha richiesto 22 minuti e 14 secondi su un Raspberry Pi 4 non raffreddato ma è stata completata in 20 minuti e quattro secondi con il Fan Shim collegato, risparmiando oltre due minuti – poco meno di un aumento delle prestazioni del dieci percento. Se l’operazione fosse durata più a lungo o si fosse svolta in un ambiente più caldo, la differenza sarebbe stata maggiore.
Per coloro a cui non piace l’idea di aggiungere una ventola rotante al proprio Raspberry Pi 4, il dissipatore di calore è un’alternativa realistica: con solo il dissipatore di calore collegato, il benchmark è stato completato in 20 minuti e 23 secondi, un rispettabile incremento dell’8% rispetto allo stock non raffreddato , leggermente indietro rispetto al Fan Shim. A differenza del Fan Shim, tuttavia, è improbabile che il dissipatore di calore offra gli stessi vantaggi in un ambiente caldo, dove non può dissipare il calore che sta conducendo abbastanza rapidamente, o per carichi di lavoro prolungati superiori a venti minuti.
L’opzione combinata Fan Shim e dissipatore di calore, nel frattempo, ha funzionato all’interno del margine di errore in modo identico all’utilizzo del Fan Shim da solo, il che significa a meno che non si desideri ridurre la quantità di tempo che la ventola trascorre attivando e disattivando, cosa che potresti anche ottenere nel software aumentando la temperatura di isteresi, c’è poco senso nel mondo reale per combinare i due.
Linea di fondo
Se il tuo Raspberry Pi 4 viene utilizzato per carichi di lavoro sostenuti, avrai bisogno di una qualche forma di raffreddamento per ottenere il massimo da esso. Sebbene l’opzione del dissipatore di calore passivo sia semplice ed economica, è solo una soluzione parziale; il Fan Shim, al contrario, risolve completamente il problema – o, almeno, per lo più consentendoti di overcloccare il tuo Pi 4 oltre i 2 GHz.
L’avvertenza che impedisce che venga veramente “completamente” risolto: il Fan Shim è efficace solo in un ambiente relativamente aperto, o quando viene utilizzato con custodie come il Pibow di Pimoroni che lo tengono scoperto. Se installato in una custodia chiusa come la custodia ufficiale Raspberry Pi 4, il Fan Shim può fare solo così tanto e il throttling con carichi di lavoro sostenuti potrebbe ancora essere un problema. La soluzione: cerca le valigie con ventilazione o fai un’esercitazione alla valigetta ufficiale per crearne una tua.
A parte alcuni carichi di lavoro pesanti e ambienti chiusi, tuttavia, né gli accessori di raffreddamento attivi né quelli passivi sono strettamente necessari sul Raspberry Pi 4: anche quando raggiunge il suo punto di accelerazione termica, è comunque un aggiornamento straordinariamente potente rispetto ai suoi predecessori, ed è improbabile che surriscaldarsi faccia il a bordo di qualsiasi danno permanente – il punto di accelerazione di 80 gradi Celsius è comodamente al di sotto delle temperature di esercizio nominali massime dei componenti.
Il dissipatore di calore Raspberry Pi 4 e lo spessore della ventola sono ora disponibili da Pimoroni.
Dissipatore di calore Raspberry Pi 4
Spessore ventola Raspberry Pi 4
Crediti immagine: Gareth Halfacree
