Nosso Veredicto
O Pimoroni Fan Shim para Raspberry Pi 4 evita o afogamento mesmo em velocidade de overclock, mas não funciona com alguns chapéus.
Por
Refrigeração incrivelmente eficaz
Aumenta o desempenho a longo prazo
Tranquilo
Contra
Incompatível com chapéus I2S
Partes móveis
O botão precisa de uma atualização de software GPIO Zero pendente
O Raspberry Pi 4 é uma fera poderosa, funcionando consideravelmente mais quente do que as placas Raspberry Pi anteriores. Embora o complemento oficial Raspberry Pi Power-over-Ethernet (PoE) HAT inclua um ventilador embutido que pode resfriar as coisas, existem opções mais baratas para quem não precisa de suporte PoE – como um dissipador de calor passivo ou ventilador ativo Acessório de calço da Pimoroni.
Esses acessórios acessíveis permitem limitar ou eliminar completamente a limitação térmica para que você possa obter o máximo desempenho do seu Raspberry Pi 4, independentemente da carga de trabalho, mesmo se você estiver com overclock. Embora o dissipador de calor de US $ 2,50 / £ 2,40 seja conveniente e útil, nossos testes mostram que o Pimoroni Fan Shim (US $ 10 / £ 9,60) é muito mais eficaz. Na verdade, ele permite que você faça overclock do seu Raspberry Pi 4 até 2.147 MHz sem qualquer limitação. No entanto, é incompatível com alguns chapéus e não ajudará em um estojo totalmente fechado.
O problema: estrangulamento térmico
Quando o sistema no chip (SoC) do Raspberry Pi 4 chega a uma certa temperatura – pouco acima de 80 graus Celsius – ele reduz sua velocidade de operação para se proteger de danos. Para quem usa o Raspberry Pi 4 para tarefas curtas e computacionalmente rápidas, como navegar na web, editar um documento ou programar em Scratch ou Python, não é um problema. Sob carga sustentada, porém, o afogamento da CPU pode ter um impacto real no desempenho.
O gráfico acima mostra um Raspberry Pi 4, sem caixa ao ar livre, executando uma carga de trabalho intensiva de CPU e GPU por dez minutos. A temperatura logo atinge o ponto de aceleração, e a frequência da CPU pode ser vista caindo do estoque de 1,5 GHz para 1 GHz após três minutos e 43 segundos – embora rapidamente volte a subir conforme a temperatura cai. Esse comportamento de clock up-and-down é executado até o final do teste, quando a carga é removida e a CPU pode voltar à sua velocidade ociosa de 600 MHz para se recuperar adequadamente.
O problema só é agravado se você fizer overclock no seu Pi: aumentar o clock da CPU ou GPU requer energia extra, e essa energia extra se torna calor extra. Um Raspberry Pi 4 com overclock, tudo sendo igual, começará a acelerar mais rápido do que um rodando em estoque e provavelmente passará mais tempo em suas velocidades aceleradas.
A solução passiva: o dissipador de calor Pimoroni
Adicionar um dissipador de calor – um simples pedaço de metal condutor de calor, normalmente moldado em aletas, que funciona para conduzir o calor para longe do SoC e espalhá-lo por uma área de superfície maior para melhorar a transferência para o ar circundante – tem sido uma atualização comum para Entusiastas do Raspberry Pi. O dissipador de calor Pimoroni, especificamente moldado para o Raspberry Pi, tem uma pegada maior do que a maioria – mal espremendo entre o conector Display Serial Interface (DSI) à esquerda e o conector Camera Serial Interface (CSI) no centro-inferior – em troca de uma altura baixa que permite que ele caiba sob acessórios HAT de tamanho normal, embora ao custo de perder muito do seu fluxo de ar livre.
A opção do dissipador de calor tem algumas vantagens em relação a uma solução ativa: é totalmente silenciosa, por exemplo, e tem um custo extremamente baixo de US $ 2,52 / £ 2,40. O preço inclui uma faixa adesiva na parte traseira, mas curiosamente a Pimoroni não optou por um verdadeiro material de interface térmica (TIM); em vez disso, a fita adesiva é 3M Double Coated Tissue Tape 9448A – normalmente não usada para aderir dissipadores de calor a chips, mas conhecida pelo fabricante por resistir bem a altas temperaturas. Aqueles que usam um gabinete Pimoroni Pibow Raspberry Pi 4 também encontrarão um novo recorte no painel superior, que oferece espaço para o dissipador de calor respirar.
Instalar o dissipador de calor e executar o mesmo benchmark acima mostra um impacto definitivo: o Raspberry Pi 4 começa em uma temperatura marginalmente mais baixa e sobe em uma curva mais lenta e rasa. É o estrangulamento onde o maior impacto pode ser visto: graças ao grande pedaço de alumínio e sua área de superfície aumentada, são necessários quase oito minutos e meio de carga sustentada para a CPU do Raspberry Pi 4 começar a estrangular – uma melhoria séria em relação à unidade de estoque. três minutos e 43 segundos.
No entanto, não é suficiente impedir completamente o afogamento – que é onde entra a opção ativa.
A solução ativa: o calço do ventilador Pimoroni
O Fan Shim é um pequeno PCB de formato estranho que vem com uma ventoinha de 30 mm. Uma vez montado – uma caixa de dois parafusos, quatro porcas e prendendo o conector de alimentação do ventilador a um conector no PCB – todo o conjunto pode ser deslizado sobre o conector GPIO do Raspberry Pi. Ao contrário dos complementos de ventilador que custam menos de US $ 10,08 / £ 9,60 do Fan Shim, também é possível controlar o ventilador via software – com um programa de exemplo incluído – enquanto há um botão tátil e LED RGB endereçável pelo usuário na placa para sempre medida, embora o botão não funcione no Raspberry Pi 4 até que uma biblioteca GPIO Zero Python atualizada seja disponibilizada.
Em teoria, o PCB fino do Fan Shim significa que ele pode ser usado ao mesmo tempo que a maioria dos HATs – embora não dependa do GPIO Pin BCM18, que inclui quaisquer complementos de áudio usando conectividade de áudio I2S como o próprio pHAT DAC da Pimoroni. A instalação de um chapéu de tamanho normal bloqueia o fluxo de ar direto para o ventilador de cima, mas há uma lacuna suficiente para que ele ainda seja capaz de um resfriamento eficaz; um acessório opcional Booster Header eleva o HAT para melhorar ainda mais as coisas. Assim como a opção de dissipador de calor, o novo gabinete Pibow inclui um recorte para o calço do ventilador e o ventilador.
Por padrão, o Fan Shim gira até 4.200 RPM assim que o Raspberry Pi é ligado. Nesse modo, seu desempenho de resfriamento é extremamente impressionante: o SoC fica inativo em torno de 37 graus Celsius em um ambiente de 24,5 graus Celsius e permanece abaixo de 55 graus Celsius durante todo o teste. Isso está bem abaixo do ponto de aceleração de 80 graus Celsius do SoC BCM2711B0 do Raspberry Pi 4, portanto, nenhuma operação de aceleração é registrada – a CPU funciona a 1,5 GHz total. No entanto, há um custo: a ventoinha extrai 0,6 W adicionais da fonte de alimentação durante o funcionamento.
Também há muito espaço no desempenho de refrigeração do Fan Shim: mesmo um Raspberry Pi 4 com overclock pode ser impedido de atingir seu ponto de aceleração térmica, tornando-o obrigatório para quem procura obter o desempenho máximo de seu Pi. De fato, após nossos testes iniciais, conseguimos obter um Pi 4 de até 2.147 MHz com o calço do ventilador conectado e não vimos nenhum estrangulamento.
Resfriamento controlado por software
O Fan Shim tem outro modo de operação, no entanto: controle de software por meio de uma interface de programação de aplicativos (API) baseada em Python. Com isso, é possível ligar e desligar o ventilador – mas não variar sua velocidade, a não ser ligando e desligando em rápida sucessão para simular um sinal de modulação por largura de pulso (PWM) – e fazer uso do interruptor e LED RGB.
Um programa de amostra está incluído que define um limite de temperatura superior e uma temperatura de histerese, que a Pimoroni recomenda que seja definida em 65 graus Celsius e 5 graus Celsius, respectivamente. Ao executar com essas configurações, o ventilador liga – e o LED RGB alterna de vermelho para verde – a 65 graus Celsius e esfria até atingir 60 graus Celsius antes de desligar e esperar que a temperatura suba novamente.
Aqui, o Raspberry Pi fica ocioso na mesma temperatura que sua encarnação de estoque não refrigerada: cerca de 50 graus Celsius. A ventoinha não gira até que a temperatura atinja 65 graus Celsius e, em seguida, passa o resto do teste ligando e desligando para manter o Raspberry Pi 4 abaixo da temperatura alvo. Isso é admirável: como no modo sempre ligado, o SoC é mantido longe de seu ponto de aceleração e o teste de dez minutos é concluído sem que uma única operação de aceleração seja registrada. O mesmo também é verdade quando em overclock, embora a ventoinha acione mais rapidamente e com mais frequência para compensar o calor adicional.
Resfriamento Combinado
A maioria dos computadores desktop e laptops não depende apenas de um dissipador de calor ou apenas de um ventilador; eles usam uma combinação de ambos, e é possível fazê-lo com o Fan Shim e o dissipador de calor também – embora não seja recomendado pela própria Pimoroni, que realizou seus próprios testes e contra-intuitivamente descobriu que a combinação resfriou com menos eficácia do que simplesmente usar o Fan Shim sozinho.
Há apenas uma maneira de verificar isso, lembre-se: realizar o mesmo teste nós mesmos. O dissipador de calor Pimoroni com Fan Shim conectado na parte superior é uma combinação que realmente requer a instalação de extensões de pinos ou Booster Header da Pimoroni no conector GPIO; sem eles, não há pino suficiente para o Fan Shim segurar e corre o risco de cair – potencialmente causando um curto-circuito nos pinos GPIO no caminho, danificando o Raspberry Pi 4.
Para este teste, o Fan Shim é deixado no modo controlado por software com o mesmo alvo de temperatura de 65 graus Celsius como antes. O resultado é um gráfico muito parecido com o uso do Fan Shim sozinho, apenas esticado: o dissipador de calor armazena efetivamente o calor gerado pelo SoC, diminuindo o tempo até que o Fan Shim precise ser ligado; a desvantagem é que também diminui o tempo necessário para desligar novamente depois. Em termos de desempenho real, porém, há pouca diferença: mais uma vez o SoC é resfriado a ponto de não precisar acelerar a CPU para se proteger.
O Impacto no Desempenho
Ser capaz de impedir que seu Raspberry Pi 4 estrangule tem um impacto mensurável no desempenho, embora o quão mensurável dependa inteiramente do quanto ele está estrangulando. Em nosso ambiente de teste, que estava estável em 24,5 graus Celsius, o afogamento não era terrível: enquanto a CPU frequentemente caía para 1 GHz sob carga sustentada, ela rapidamente voltava a 1,5 GHz novamente. Em um ambiente mais quente, o estrangulamento aconteceria mais cedo e seria sustentado por mais tempo, o que significa que os acessórios de resfriamento teriam um impacto maior no desempenho medido.
Para este teste, o Raspberry Pi 4 é instruído a compactar um arquivo de 8 GB armazenado em um SSD USB 3.0, usando o utilitário de compactação lbzip2 multithread, enquanto o tempo que leva é medido. A compactação de um arquivo tão grande no Raspberry Pi 4 normalmente leva cerca de vinte minutos, aproximadamente o dobro da carga sintética do teste de aceleração, e em um Raspberry Pi não refrigerado aciona o estrangulamento térmico.
Não há uma grande quantidade entre eles, mas o Fan Shim definitivamente tem um impacto: a operação de compressão levou 22 minutos e 14 segundos em um Raspberry Pi 4 não refrigerado, mas foi concluída em 20 minutos e quatro segundos com o Fan Shim conectado, economizando mais de dois minutos – apenas tímido de um ganho de desempenho de dez por cento. Se a operação tivesse durado mais tempo, ou tivesse ocorrido em um ambiente mais quente, a diferença seria maior.
Para aqueles que não gostam da ideia de adicionar um ventilador giratório ao Raspberry Pi 4, o dissipador de calor é uma alternativa realista: com apenas o dissipador de calor conectado, o benchmark foi concluído em 20 minutos e 23 segundos – um respeitável aumento de 8% em relação ao estoque não resfriado , ficando um pouco atrás do Fan Shim. Ao contrário do Fan Shim, porém, é improvável que o dissipador de calor ofereça os mesmos ganhos em um ambiente quente, onde ele não pode liberar o calor que está conduzindo com rapidez suficiente, ou para cargas de trabalho sustentadas superiores a vinte minutos.
A opção combinada Fan Shim e dissipador de calor, enquanto isso, funcionou dentro da margem de erro de forma idêntica ao uso do Fan Shim sozinho – ou seja, a menos que você queira reduzir a quantidade de tempo que a ventoinha gasta ligando e desligando, o que você também pode conseguir em software aumentando a temperatura de histerese, há pouco sentido no mundo real para combinar os dois.
Resultado final
Se o seu Raspberry Pi 4 for usado para cargas de trabalho sustentadas, você precisará de alguma forma de resfriamento para aproveitar ao máximo. Embora a opção de dissipador de calor passivo seja simples e barata, é apenas uma solução parcial; o Fan Shim, por outro lado, resolve o problema completamente – ou, pelo menos, principalmente, permitindo que você faça overclock no seu Pi 4 além de 2 GHz.
A ressalva que impede que ele seja realmente “completamente” resolvido: o Fan Shim só é eficaz em um ambiente relativamente aberto, ou quando usado com casos como o próprio Pimoroni Pibow que o mantém descoberto. Se instalado em um gabinete fechado como o Official Raspberry Pi 4 Case, o Fan Shim só pode fazer muito e o estrangulamento sob cargas de trabalho sustentadas ainda pode ser um problema. A solução: procure por cases com ventilação, ou leve uma furadeira até o Official Case para criar o seu próprio.
Certas cargas de trabalho pesadas e ambientes fechados à parte, porém, nem acessórios de refrigeração ativos nem passivos são estritamente necessários no Raspberry Pi 4: mesmo ao atingir seu ponto de aceleração térmica, ainda é uma atualização impressionantemente poderosa de seus antecessores, e é improvável que o aquecimento faça o mesmo. placas de qualquer dano permanente – o ponto de aceleração de 80 graus Celsius está confortavelmente abaixo das temperaturas de operação nominais máximas dos componentes.
O dissipador de calor Raspberry Pi 4 e o Fan Shim já estão disponíveis na Pimoroni.
Dissipador de calor Raspberry Pi 4
Calço de ventoinha Raspberry Pi 4
Créditos da imagem: Gareth Halfacree
