私たちの評決
Raspberry Pi 4用のPimoroniファンシムは、オーバークロックされた速度でもスロットルを防ぎますが、一部の帽子では機能しません。
にとって
信じられないほど効果的な冷却
長期的なパフォーマンスを向上させる
静かな
に対して
I2SHATと互換性がありません
可動部品
ボタンには保留中のGPIOZeroソフトウェアアップデートが必要です
Raspberry Pi 4は強力な獣であり、以前のRaspberryPiボードよりもかなり暖かく動作します。公式のRaspberryPi Power-over-Ethernet（PoE）HATアドオンには、物事を冷やすことができるファンが組み込まれていますが、パッシブヒートシンクやアクティブファンなど、PoEサポートを必要としない人のためのより安価なオプションがありますPimoroniのシムアクセサリー。
これらの手頃な価格のアクセサリを使用すると、熱スロットリングを制限または完全に排除できるため、オーバークロックされている場合でも、ワークロードに関係なく、Raspberry Pi4から最大のパフォーマンスを得ることができます。$ 2.50/£2.40のヒートシンクは便利で便利ですが、私たちのテストでは、Pimoroni Fan Shim（$ 10/£9.60）の方がはるかに効果的であることが示されています。実際、スロットルなしでRaspberry Pi4を2,147MHzまでオーバークロックできます。ただし、一部の帽子とは互換性がなく、完全に密閉されたケースでは役に立ちません。
問題：熱スロットリング
Raspberry Pi 4のシステムオンチップ（SoC）が特定の温度（摂氏80度をわずかに超える温度）に達すると、動作速度を下げて害から身を守ります。 Raspberry Pi 4を使用して、Webの閲覧、ドキュメントの編集、ScratchやPythonでのプログラミングなど、計算量の多い短いタスクを実行する場合は、問題ありません。ただし、負荷が持続している場合、CPUスロットリングはパフォーマンスに大きな影響を与える可能性があります。
上のグラフは、屋外でケースを外し、CPUとGPUの集中的なワークロードを10分間実行しているRaspberry Pi4を示しています。温度はすぐにスロットルポイントに達し、CPU周波数は3分43秒後にストックの1.5GHzから1GHzに低下するのを見ることができますが、温度が下がるとすぐに元に戻ります。このアップダウンクロッキング動作は、負荷が取り除かれ、CPUがアイドル速度600 MHzに戻って適切に回復できるときに、テストの最後まで実行されます。
この問題は、Piをオーバークロックした場合にのみ悪化します。CPUまたはGPUクロックをブーストするには追加の電力が必要であり、その追加の電力は余分な熱になります。オーバークロックされたRaspberryPi 4は、すべてが同じであれば、在庫で実行されているものよりも速くスロットルを開始し、スロットルされた速度でより多くの時間を費やす可能性があります。
パッシブソリューション：Pimoroniヒートシンク
ヒートシンク（通常はフィンに成形された単純な熱伝導性金属片）を追加すると、SoCから熱を伝導し、周囲の空気への移動を改善するために、より広い表面積に熱を拡散するように機能します。ラズベリーパイ愛好家。Raspberry Pi用に特別に成形されたPimoroniヒートシンクは、ほとんどの場合よりもフットプリントが大きく、左側のDisplay Serial Interface（DSI）コネクタと中央下部のCamera Serial Interface（CSI）コネクタの間にかろうじて挟み込まれています。低い高さで、フルサイズのHATアクセサリの下に収まりますが、自由な空気の流れの多くが失われます。
ヒートシンクオプションには、アクティブソリューションに比べていくつかの利点があります。1つは完全にサイレントであり、2.52ドル/2.40ポンドと非常に低コストです。価格には背面の粘着テープが含まれていますが、奇妙なことに、Pimoroniは真のサーマルインターフェイスマテリアル（TIM）を選択していません。代わりに、粘着テープは3Mダブルコーティングティッシュテープ9448Aです。通常、ヒートシンクをチップに接着するために使用されることはありませんが、高温に耐えることができるとメーカーから指摘されています。Pimoroni Pibow Raspberry Pi 4ケースを使用している場合は、トップパネルに新しい切り欠きがあり、ヒートシンクが呼吸するためのスペースがあります。
ヒートシンクを取り付けて上記と同じベンチマークを実行すると、明確な影響が示されます。RaspberryPi4はわずかに低い温度で開始し、ゆっくりとした浅いカーブで上昇します。最大の影響が見られるのはスロットルです。大きなアルミニウムの塊とその表面積の増加のおかげで、Raspberry Pi 4のCPUがスロットルを開始するのに約8分半の持続的な負荷がかかります。これは、ストックユニットの大幅な改善です。 3分43秒。
ただし、スロットルを完全に防ぐだけでは十分ではありません。これがアクティブなオプションの出番です。
アクティブソリューション：Pimoroniファンシム
ファンシムは、30mmファンがバンドルされた小さな奇妙な形状のPCBです。組み立てが完了すると（ボルト2個、ナット4個、ファンの電源ヘッダーをPCBのコネクタにクリップで留める場合）、アセンブリ全体をRaspberryPiのGPIOヘッダーにかぶせることができます。ファンシムの$ 10.08/£9.60未満のファンアドオンとは異なり、ボードには触覚ボタンとユーザーアドレス指定可能なRGB LEDがあり、ソフトウェアを介してファンを制御することもできます（サンプルプログラムが含まれています）。ただし、更新されたGPIO Zero Pythonライブラリが利用可能になるまで、ボタンはRaspberry Pi4では機能しません。
理論的には、ファンシムのスリムなPCBは、ほとんどのHATと同時に使用できることを意味しますが、Pimoroni独自のpHATDACのようなI2Sオーディオ接続を使用するオーディオアドオンを含むGPIOピンBCM18に依存することはありません。フルサイズの帽子を取り付けると、上からファンへの直接の空気の流れが遮断されますが、効果的な冷却が可能なように十分な隙間があります。オプションのブースターヘッダーアクセサリは、HATを上げて、状況をさらに改善します。ヒートシンクオプションと同様に、新しいPibowケースには、ファンシムとファン用の切り欠きが含まれています。
デフォルトでは、Raspberry Piの電源を入れるとすぐに、ファンシムが最大4,200RPMまで回転します。このモードでは、その冷却性能は非常に印象的です。SoCは、24.5℃の周囲環境で約37℃でアイドル状態になり、テスト全体を通して55℃未満のままです。これは、Raspberry Pi4のBCM2711B0SoCの80℃のスロットルポイントをはるかに下回っているため、スロットル操作は記録されません。CPUは全体で1.5GHzで動作します。ただし、コストがかかります。ファンは、動作中に電源からさらに0.6Wを引き出します。
ファンシムの冷却性能にも十分な余裕があります。オーバークロックされたRaspberryPi 4でさえ、サーマルスロットルポイントにぶつからないようにすることができるため、Piから最高の性能を引き出したい人にとっては必需品です。実際、最初のテストの後、ファンシムを取り付けた状態で最大2,147MHzのPi4を取得することができ、スロットルはまったく見られませんでした。
ソフトウェア制御の冷却
ただし、ファンシムには別の動作モードがあります。Pythonベースのアプリケーションプログラミングインターフェイス（API）を介したソフトウェア制御です。これを使用すると、ファンのオンとオフを切り替えることができますが、速度を変えることはできませんが、パルス幅変調（PWM）信号をシミュレートするためにファンをすばやく連続してオンとオフにする以外に、触覚を利用することができます。スイッチとRGBLED。
上限温度とヒステリシス温度を設定するサンプルプログラムが含まれています。Pimoroniでは、それぞれ摂氏65度と摂氏5度に設定することをお勧めします。これらの設定で実行すると、ファンがオンになり、RGB LEDが65℃で赤から緑に切り替わります。その後、摂氏60度に達するまで冷却されてから、電源がオフになり、温度が再び上昇するのを待ちます。
ここで、Raspberry Piは、冷却されていないストックの化身と同じ温度（摂氏約50度）でアイドル状態になります。ファンは、温度が摂氏65度に達するまで回転しません。その後、Raspberry Pi 4を目標温度未満に保つために、テストの残りの部分でオンとオフを切り替えます。これは見事に行われます。常時オンモードと同様に、SoCはスロットルポイントから遠くに保たれ、1回のスロットル操作が記録されることなく10分間のテストが完了します。オーバークロックした場合も同じことが言えますが、追加の熱を補うためにファンがより速く、より頻繁に作動します。
複合冷却
ほとんどのデスクトップおよびラップトップコンピューターは、ヒートシンクまたはファンのみに依存していません。それらは両方の組み合わせを使用し、ファンシムとヒートシンクを使用して行うことも可能です-独自のテストを実施し、ファンシムを使用するよりも組み合わせの冷却効果が低いことを直感に反して発見したPimoroni自体は推奨していませんが1人。
それを確認する唯一の方法があります。同じテストを自分で実行することです。ファンシムが上部に接続されたPimoroniヒートシンクは、GPIOヘッダーにピンエクステンションまたはPimoroniのブースターヘッダーを取り付ける必要がある組み合わせです。それらがないと、ファンシムがグリップするのに十分なピンがなく、脱落するリスクがあります-途中でGPIOピンがショートし、Raspberry Pi4が損傷する可能性があります。
このテストでは、ファンシムは、以前と同じ摂氏65度の温度目標でソフトウェア制御モードのままにされます。結果は、ファンシムを単独で使用した場合と非常によく似たグラフになりますが、引き伸ばされただけです。ヒートシンクはSoCによって生成された熱を効果的に蓄積し、ファンシムのスイッチをオンにする必要があるまでの時間を遅くします。欠点は、後で再びスイッチを切る必要がある時間も遅くなることです。ただし、実際のパフォーマンスに関しては、ほとんど違いはありません。SoCは、自身を保護するためにCPUをスロットルする必要がなくなるまで冷却されます。
パフォーマンスへの影響
Raspberry Pi 4のスロットルを防ぐことができると、パフォーマンスに測定可能な影響がありますが、測定可能かどうかは、スロットルの程度に完全に依存します。全体を通して摂氏24.5度で安定していたテスト環境では、スロットリングはひどいものではありませんでした。CPUは持続的な負荷の下で頻繁に1GHzに低下しましたが、すぐに再び1.5GHzに戻りました。温暖な環境では、スロットルがより早く発生し、より長く持続します。つまり、冷却アクセサリが測定されたパフォーマンスに大きな影響を与えることになります。
このテストでは、Raspberry Pi 4は、マルチスレッドのlbzip2圧縮ユーティリティを使用して、USB 3.0SSDに保存されている8GBのファイルを圧縮するように指示されます。Raspberry Pi 4でこのような大きなファイルを圧縮するには、通常約20分かかり、スロットルテストの合成負荷が約2倍になり、冷却されていないRaspberryPiでは熱スロットリングがトリガーされます。
それらの間に大きな量はありませんが、ファンシムは間違いなく影響を及ぼします：圧縮操作は、冷却されていないRaspberry Pi 4では22分14秒かかりましたが、ファンシムを取り付けた状態で20分4秒で完了し、2分以上節約できました-パフォーマンスが10％向上するのは恥ずかしがり屋です。操作がより長く行われた場合、またはより高温の環境で行われた場合、その差はさらに大きくなります。
Raspberry Pi 4に回転ファンを追加するというアイデアが気に入らない場合は、ヒートシンクが現実的な代替手段です。ヒートシンクを取り付けるだけで、ベンチマークが20分23秒で完了します。冷却されていないストックよりも8％高くなります。 、ファンヒートシンクの少し後ろに遅れています。ただし、ファンシムとは異なり、ヒートシンクは、伝導している熱を十分に速く逃がすことができない高温環境、または20分を超える持続的なワークロードで同じゲインを提供する可能性は低いです。
一方、ファンシムとヒートシンクの組み合わせオプションは、ファンシムを単独で使用する場合と同じように許容誤差内で実行されます。つまり、ファンがオンとオフを切り替えるのにかかる時間を短縮したい場合を除きます。これは、ソフトウェアでも実現できます。ヒステリシス温度を上げると、2つを組み合わせることに現実的なポイントはほとんどありません。
結論
Raspberry Pi 4を持続的なワークロードに使用する場合、それを最大限に活用するには、何らかの形の冷却が必要になります。パッシブヒートシンクオプションはシンプルで安価ですが、それは部分的な解決策にすぎません。対照的に、ファンシムは問題を完全に解決します-または、少なくとも、ほとんどの場合、2GHzを超えてPi4をオーバークロックできるようにします。
ファンシムが本当に「完全に」解決されるのを妨げる警告：ファンシムは、比較的オープンな環境で、またはピモロニ自身のピボウのようにカバーを外したまま使用する場合にのみ効果的です。公式のRaspberryPi 4ケースのような密閉されたケースに取り付けられた場合、ファンシムはそれだけのことしかできず、持続的な作業負荷の下でのスロットルは依然として問題になる可能性があります。解決策：換気のあるケースを探すか、公式ケースにドリルでドリルして独自のケースを作成します。
ただし、Raspberry Pi 4には、特定の重いワークロードと密閉された環境は別として、アクティブまたはパッシブの冷却アクセサリは厳密には必要ありません。サーマルスロットルポイントに達した場合でも、前任者からの非常に強力なアップグレードであり、高温で実行しても、恒久的な損傷に対処します。80℃のスロットルポイントは、コンポーネントの最大定格動作温度を快適に下回っています。
Raspberry Pi 4HeatsinkとFanShimは、現在Pimoroniから入手できます。
Raspberry Pi4ヒートシンク
ラズベリーパイ4ファンシム
画像クレジット：Gareth Halfacree
