คำตัดสินของเรา
Pimoroni Fan Shim สำหรับ Raspberry Pi 4 ป้องกันการควบคุมปริมาณแม้ที่ความเร็วโอเวอร์คล็อก แต่ใช้ไม่ได้กับหมวกบางรุ่น
สำหรับ
การระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพอย่างไม่น่าเชื่อ
ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในระยะยาว
เงียบ
ขัดต่อ
เข้ากันไม่ได้กับ I2S HATs
ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว
ปุ่มต้องการการอัปเดตซอฟต์แวร์ GPIO Zero ที่รอดำเนินการ
Raspberry Pi 4 เป็นสัตว์เดรัจฉานที่ทรงพลัง อุ่นกว่าบอร์ด Raspberry Pi รุ่นก่อนมาก ในขณะที่ Add-on HAT ของ Raspberry Pi Power-over-Ethernet (PoE) อย่างเป็นทางการมีพัดลมในตัวที่สามารถระบายความร้อนได้ มีตัวเลือกที่ถูกกว่าสำหรับผู้ที่ไม่ต้องการการสนับสนุน PoE เช่น ฮีทซิงค์แบบพาสซีฟหรือพัดลมแบบแอคทีฟ อุปกรณ์เสริมชิมจาก Pimoroni
อุปกรณ์เสริมราคาไม่แพงเหล่านี้ช่วยให้คุณสามารถจำกัดหรือขจัดการควบคุมปริมาณความร้อนได้อย่างสมบูรณ์ เพื่อให้คุณได้ประสิทธิภาพสูงสุดจาก Raspberry Pi 4 ของคุณ ไม่ว่าคุณจะทำงานหนักแค่ไหน แม้ว่าคุณจะโอเวอร์คล็อกก็ตาม แม้ว่าฮีทซิงค์ราคา $2.50 / £2.40 จะสะดวกและมีประโยชน์ การทดสอบของเราแสดงให้เห็นว่า Pimoroni Fan Shim ($10 / £9.60) นั้นมีประสิทธิภาพมากกว่ามาก อันที่จริง มันให้คุณโอเวอร์คล็อก Raspberry Pi 4 ของคุณได้ถึง 2,147 MHz โดยไม่ต้องควบคุมปริมาณ อย่างไรก็ตาม มันเข้ากันไม่ได้กับหมวกบางชนิด และจะไม่ช่วยในกรณีที่ปิดสนิท
ปัญหา: การควบคุมปริมาณความร้อน
เมื่อ system-on-chip (SoC) ของ Raspberry Pi 4 มีอุณหภูมิที่สูงกว่า 80 องศาเซลเซียส มันจะลดความเร็วในการทำงานลงเพื่อป้องกันตัวเองจากอันตราย สำหรับทุกคนที่ใช้ Raspberry Pi 4 สำหรับงานสั้นๆ ที่ต้องใช้การประมวลผลสูง เช่น การท่องเว็บ แก้ไขเอกสาร หรือเขียนโปรแกรมใน Scratch หรือ Python ก็ไม่มีปัญหา ภายใต้การโหลดที่ต่อเนื่อง การควบคุมปริมาณ CPU อาจส่งผลกระทบอย่างแท้จริงต่อประสิทธิภาพการทำงาน
กราฟด้านบนแสดง Raspberry Pi 4 ที่ไม่ได้ใส่เคสในที่โล่ง ใช้งาน CPU และ GPU อย่างเข้มข้นเป็นเวลาสิบนาที อุณหภูมิจะถึงจุดเค้นในไม่ช้า และความถี่ของ CPU จะลดลงจากสต็อก 1.5 GHz ลงไปที่ 1 GHz หลังจากสามนาทีและ 43 วินาที – แม้ว่าจะกลับมาอย่างรวดเร็วอีกครั้งเมื่ออุณหภูมิลดลง พฤติกรรมการตอกบัตรขึ้นและลงนี้ทำงานตลอดจนสิ้นสุดการทดสอบ เมื่อโหลดออกและ CPU สามารถเลื่อนลงมาที่ความเร็วรอบเดินเบาที่ 600 MHz เพื่อกู้คืนได้อย่างถูกต้อง
ปัญหารุนแรงขึ้นก็ต่อเมื่อคุณโอเวอร์คล็อก Pi ของคุณ: การเพิ่มนาฬิกา CPU หรือ GPU ต้องใช้พลังงานพิเศษ และพลังงานพิเศษนั้นจะกลายเป็นความร้อนพิเศษ Raspberry Pi 4 ที่โอเวอร์คล็อกแล้ว ทุกสิ่งจะเท่าเทียมกัน เริ่มการควบคุมได้เร็วกว่าการทำงานที่สต็อก และมีแนวโน้มที่จะใช้เวลามากขึ้นด้วยความเร็วที่จำกัด
โซลูชันแบบพาสซีฟ: Pimoroni Heatsink
การเพิ่มฮีทซิงค์ ซึ่งเป็นโลหะนำความร้อนธรรมดาๆ ที่ปกติแล้วจะมีรูปร่างเป็นครีบ ซึ่งทำหน้าที่นำความร้อนออกจาก SoC และกระจายไปทั่วพื้นที่ผิวที่ใหญ่ขึ้นเพื่อการถ่ายเทอากาศโดยรอบที่ดีขึ้น – เป็นการอัพเกรดทั่วไปสำหรับ ผู้ที่ชื่นชอบ Raspberry Pi ฮีทซิงค์ Pimoroni ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับ Raspberry Pi มีพื้นที่ขนาดใหญ่กว่าส่วนใหญ่ – แทบไม่บีบระหว่างขั้วต่อ Display Serial Interface (DSI) ที่ด้านซ้ายและขั้วต่อ Camera Serial Interface (CSI) ที่กึ่งกลางด้านล่าง – เพื่อแลกกับ ความสูงต่ำที่ช่วยให้พอดีกับอุปกรณ์เสริม HAT ขนาดเต็ม แม้ว่าจะต้องสูญเสียกระแสลมไปมากก็ตาม
ตัวเลือกฮีทซิงค์มีข้อดีเหนือโซลูชันแบบแอ็คทีฟอยู่สองสามข้อ นั่นคือ ทำงานเงียบสนิทสำหรับหนึ่งตัวเลือก และมีต้นทุนต่ำมากที่ $2.52/£2.40 ราคานี้รวมแถบกาวที่ด้านหลังแล้ว แต่แปลกที่ Pimoroni ไม่ได้เลือกใช้วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน (TIM) อย่างแท้จริง แถบกาวคือ 3M Double Coated Tissue Tape 9448A แทน ซึ่งปกติจะไม่ใช้สำหรับการยึดฮีทซิงค์กับชิป แต่ผู้ผลิตระบุไว้ว่าสามารถทนต่ออุณหภูมิสูงได้ดี ผู้ที่ใช้เคส Pimoroni Pibow Raspberry Pi 4 จะพบช่องเจาะใหม่ที่แผงด้านบนซึ่งให้พื้นที่สำหรับฮีทซิงค์เพื่อหายใจ
การติดตั้งฮีทซิงค์และรันเกณฑ์มาตรฐานเดียวกันกับด้านบนแสดงให้เห็นผลกระทบที่ชัดเจน: Raspberry Pi 4 เริ่มทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่าเล็กน้อยและไต่ขึ้นบนทางโค้งที่ช้ากว่าและตื้นกว่า เป็นการควบคุมปริมาณที่เห็นผลกระทบที่ใหญ่ที่สุด: ต้องขอบคุณก้อนอลูมิเนียมขนาดใหญ่และพื้นที่ผิวที่เพิ่มขึ้น มันใช้เวลาเกือบแปดนาทีครึ่งในการโหลดอย่างต่อเนื่องเพื่อให้ CPU ของ Raspberry Pi 4 เริ่มการควบคุม – การปรับปรุงอย่างจริงจังเหนือหน่วยสต็อก สามนาที 43 วินาที
มันยังไม่เพียงพอต่อการป้องกันการควบคุมปริมาณทั้งหมด – ซึ่งเป็นที่ที่ตัวเลือกที่ใช้งานอยู่เข้ามา
โซลูชันที่ใช้งานได้: Pimoroni Fan Shim
Fan Shim เป็น PCB ขนาดเล็กที่มีรูปทรงแปลกตาซึ่งมาพร้อมกับพัดลมขนาด 30 มม. เมื่อประกอบแล้ว – สลักเกลียวสองตัว น็อตสี่ตัว และตัวหนีบที่หัวจ่ายไฟของพัดลมกับขั้วต่อบน PCB – แอสเซมบลีทั้งหมดสามารถเลื่อนผ่านส่วนหัว GPIO ของ Raspberry Pi ซึ่งแตกต่างจากส่วนเสริมของพัดลมที่มีราคาต่ำกว่า 10.08 เหรียญสหรัฐ/ 9.60 เหรียญสหรัฐของ Fan Shim มันยังสามารถควบคุมพัดลมผ่านซอฟต์แวร์ได้ด้วย – รวมโปรแกรมตัวอย่าง – ในขณะที่มีปุ่มสัมผัสและ RGB LED ที่ผู้ใช้ระบุได้บนกระดานให้ดี วัดแม้ว่าปุ่มจะไม่ทำงานบน Raspberry Pi 4 จนกว่าจะมีไลบรารี GPIO Zero Python ที่อัปเดตแล้ว
ตามทฤษฎีแล้ว PCB ที่บางเฉียบของ Fan Shim หมายความว่าสามารถใช้งานได้ในเวลาเดียวกันกับ HAT ส่วนใหญ่ แม้ว่าจะไม่ต้องพึ่งพา GPIO Pin BCM18 ซึ่งรวมถึงส่วนเสริมเสียงใดๆ ก็ตามที่ใช้การเชื่อมต่อเสียง I2S เช่น pHAT DAC ของ Pimoroni การติดตั้งหมวกขนาดเต็มจะบล็อกกระแสลมโดยตรงเข้าสู่พัดลมจากด้านบน แต่มีช่องว่างเพียงพอสำหรับยังคงสามารถระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ อุปกรณ์เสริม Booster Header ที่เป็นตัวเลือกเสริม HAT เพื่อปรับปรุงสิ่งต่าง ๆ ต่อไป เช่นเดียวกับตัวเลือกฮีทซิงค์ เคส Pibow ใหม่มีคัตเอาท์สำหรับ Fan Shim และพัดลม
ตามค่าเริ่มต้น Fan Shim จะหมุนได้ถึง 4,200 RPM เต็มทันทีที่เปิด Raspberry Pi ในโหมดนี้ ประสิทธิภาพการระบายความร้อนของมันน่าประทับใจอย่างยิ่ง: SoC ไม่ทำงานที่ประมาณ 37 องศาเซลเซียสในสภาพแวดล้อมโดยรอบ 24.5 องศาเซลเซียส และยังคงต่ำกว่า 55 องศาเซลเซียสตลอดการทดสอบ ซึ่งต่ำกว่าจุดเค้น 80 องศาเซลเซียสของ BCM2711B0 SoC ของ Raspberry Pi 4 ดังนั้นจึงไม่มีการบันทึกการทำงานของเค้น – CPU ทำงานที่ 1.5 GHz เต็มที่ตลอด อย่างไรก็ตาม มีค่าใช้จ่าย: พัดลมดึงแหล่งจ่ายไฟเพิ่มเติม 0.6W ขณะทำงาน
ประสิทธิภาพการระบายความร้อนของ Fan Shim มีพื้นที่ว่างมากมายเช่นกัน: แม้แต่ Raspberry Pi 4 ที่โอเวอร์คล็อกก็ยังสามารถป้องกันไม่ให้โดนจุดคันเร่งด้วยความร้อน ทำให้เป็นสิ่งที่ต้องมีสำหรับทุกคนที่ต้องการดึงประสิทธิภาพสูงสุดจาก Pi ของพวกเขา อันที่จริง หลังจากการทดสอบครั้งแรก เราสามารถรับ Pi 4 ได้ถึง 2,147 MHz โดยติดแผ่นชิมพัดลม และเราไม่เห็นการควบคุมปริมาณเลย
ระบบทำความเย็นที่ควบคุมด้วยซอฟต์แวร์
Fan Shim มีโหมดการทำงานอื่น: การควบคุมซอฟต์แวร์ผ่านอินเทอร์เฟซการเขียนโปรแกรมแอปพลิเคชันบน Python (API) เมื่อใช้สิ่งนี้ คุณจะสามารถเปิดและปิดพัดลมได้ แม้ว่าจะไม่ทำให้ความเร็วเปลี่ยนแปลงไปก็ตาม นอกจากการเปิดและปิดอย่างรวดเร็วอย่างต่อเนื่องเพื่อจำลองสัญญาณการปรับความกว้างพัลส์ (PWM) และเพื่อใช้ประโยชน์จากระบบสัมผัส สวิตช์และไฟ LED RGB
รวมโปรแกรมตัวอย่างซึ่งกำหนดขีด จำกัด อุณหภูมิสูงสุดและอุณหภูมิฮิสเทรีซิสซึ่ง Pimoroni แนะนำให้ตั้งไว้ที่ 65 องศาเซลเซียสและ 5 องศาเซลเซียสตามลำดับ เมื่อทำงานด้วยการตั้งค่าเหล่านี้ พัดลมจะเปิดขึ้น – และไฟ LED RGB จะสลับจากสีแดงเป็นสีเขียว – ที่ 65 องศาเซลเซียส จากนั้นจะเย็นลงจนถึง 60 องศาเซลเซียสก่อนที่จะปิดและรอให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นอีกครั้ง
ที่นี่ Raspberry Pi ไม่ได้ใช้งานที่อุณหภูมิเดียวกับการจุติของสต็อคที่ไม่มีการระบายความร้อน: ประมาณ 50 องศาเซลเซียส พัดลมจะไม่หมุนจนกว่าอุณหภูมิจะสูงถึง 65 องศาเซลเซียส จากนั้นจึงใช้เวลาที่เหลือของการทดสอบสลับเปิดและปิดเพื่อให้ Raspberry Pi 4 ต่ำกว่าอุณหภูมิเป้าหมาย มันทำได้น่าชื่นชม: เช่นเดียวกับโหมดเปิดตลอดเวลา SoC ถูกเก็บไว้ให้ไกลจากจุดเค้น และการทดสอบสิบนาทีจะเสร็จสิ้นโดยไม่ต้องบันทึกการทำงานของเค้นแม้แต่ครั้งเดียว เมื่อโอเวอร์คล็อกก็เช่นเดียวกัน แม้ว่าพัดลมจะทำงานเร็วขึ้นและบ่อยขึ้นเพื่อชดเชยความร้อนที่เพิ่มขึ้น
คูลลิ่งคูลลิ่ง
คอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปและแล็ปท็อปส่วนใหญ่ไม่ได้อาศัยเพียงฮีทซิงค์หรือพัดลมเพียงอย่างเดียว พวกเขาใช้ทั้งสองอย่างรวมกัน และเป็นไปได้ที่จะทำเช่นนั้นด้วย Fan Shim และฮีทซิงค์ด้วย – แม้ว่า Pimoroni จะไม่แนะนำตัวเองซึ่งทำการทดสอบด้วยตัวเองและพบว่าการรวมกันนั้นเย็นลงอย่างมีประสิทธิภาพน้อยกว่าการใช้ Fan Shim ตามลำพัง.
มีทางเดียวเท่านั้นที่จะตรวจสอบได้ จำไว้ว่าให้ทำแบบทดสอบเดียวกันด้วยตัวเราเอง ฮีทซิงค์ Pimoroni พร้อม Fan Shim ที่เชื่อมต่ออยู่ด้านบนเป็นการผสมผสานที่จำเป็นอย่างยิ่งในการติดตั้งส่วนขยายพินหรือ Booster Header ของ Pimoroni ไปยังส่วนหัว GPIO ไม่มีพินเพียงพอสำหรับ Fan Shim ที่จะจับและเสี่ยงต่อการหลุดออก – อาจทำให้พิน GPIO ลัดวงจรได้ Raspberry Pi 4 เสียหาย
สำหรับการทดสอบนี้ Fan Shim จะอยู่ในโหมดควบคุมด้วยซอฟต์แวร์โดยมีเป้าหมายอุณหภูมิเท่าเดิมที่ 65 องศาเซลเซียส ผลลัพธ์ที่ได้คือกราฟที่ดูคล้ายกับการใช้ Fan Shim เพียงอย่างเดียว โดยยืดออกเท่านั้น: ฮีทซิงค์เก็บความร้อนที่เกิดจาก SoC ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้เวลาช้าลงจนกว่า Fan Shim จะต้องเปิด ข้อเสียคือมันทำให้เวลาที่ต้องปิดอีกครั้งช้าลงด้วย ในแง่ของประสิทธิภาพจริง มีความแตกต่างเล็กน้อย: เป็นอีกครั้งที่ SoC เย็นลงจนถึงจุดที่ไม่จำเป็นต้องเร่งความเร็วของ CPU เพื่อป้องกันตัวเอง
ผลกระทบต่อประสิทธิภาพ
ความสามารถในการป้องกัน Raspberry Pi 4 ของคุณจากการควบคุมปริมาณนั้นมีผลกระทบต่อประสิทธิภาพที่วัดได้ แม้ว่าการวัดจะขึ้นอยู่กับว่าการควบคุมปริมาณแย่แค่ไหนก็ตาม ในสภาพแวดล้อมการทดสอบของเรา ซึ่งอยู่ที่ 24.5 องศาเซลเซียสที่เสถียรตลอดมา การควบคุมปริมาณไม่ได้เลวร้ายนัก ในขณะที่ CPU มักจะลดลงไปที่ 1GHz บ่อยครั้งภายใต้การโหลดแบบต่อเนื่อง มันจะเด้งกลับขึ้นมาอย่างรวดเร็วเป็น 1.5GHz อีกครั้งอย่างรวดเร็ว ในสภาพแวดล้อมที่ร้อนขึ้น การควบคุมปริมาณจะเกิดขึ้นเร็วกว่าและคงอยู่ได้นานขึ้น ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์เสริมการทำความเย็นจะส่งผลต่อประสิทธิภาพที่วัดได้มากขึ้น
สำหรับการทดสอบนี้ Raspberry Pi 4 ได้รับคำสั่งให้บีบอัดไฟล์ขนาด 8GB ที่จัดเก็บไว้ใน USB 3.0 SSD โดยใช้ยูทิลิตี้บีบอัด lbzip2 แบบมัลติเธรด ในขณะที่วัดเวลาที่ใช้ การบีบอัดไฟล์ขนาดใหญ่ดังกล่าวบน Raspberry Pi 4 มักใช้เวลาประมาณยี่สิบนาที โหลดสังเคราะห์จากการทดสอบคันเร่งประมาณสองเท่า และ Raspberry Pi ที่ไม่มีการระบายความร้อนจะกระตุ้นให้เกิดการควบคุมปริมาณความร้อน
มีไม่มากระหว่างพวกเขา แต่ Fan Shim มีผลกระทบอย่างแน่นอน: การบีบอัดใช้เวลา 22 นาที 14 วินาทีใน Raspberry Pi 4 ที่ไม่มีการระบายความร้อน แต่เสร็จสิ้นใน 20 นาที 4 วินาทีโดยติด Fan Shim ซึ่งช่วยประหยัดเวลาได้กว่าสองนาที – แค่ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นสิบเปอร์เซ็นต์เท่านั้น หากการผ่าตัดดำเนินต่อไปนานขึ้น หรือเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่ร้อนขึ้น ความแตกต่างก็จะยิ่งมากขึ้น
สำหรับผู้ที่ไม่ชอบความคิดในการเพิ่มพัดลมหมุนใน Raspberry Pi 4 ฮีทซิงค์เป็นทางเลือกที่เหมือนจริง: เพียงแค่ฮีทซิงค์แนบการวัดประสิทธิภาพเสร็จใน 20 นาที 23 วินาที – เพิ่มขึ้นอย่างน่านับถือแปดเปอร์เซ็นต์สำหรับสต็อกที่ไม่ได้ระบายความร้อน อยู่ด้านหลัง Fan Shim เพียงเล็กน้อย แม้ว่าฮีทซิงค์จะแตกต่างจาก Fan Shim ตรงที่ไม่น่าจะให้ความร้อนแบบเดียวกันในสภาพแวดล้อมที่ร้อน ซึ่งไม่สามารถระบายความร้อนออกได้เร็วพอ หรือสำหรับปริมาณงานต่อเนื่องที่เกิน 20 นาที
ตัวเลือก Fan Shim และฮีทซิงค์ที่รวมกันนั้นทำงานภายในขอบของข้อผิดพลาดเหมือนกับการใช้ Fan Shim เพียงอย่างเดียว – หมายความว่าคุณต้องการลดระยะเวลาที่พัดลมใช้ในการเปิดและปิด ซึ่งคุณสามารถทำได้ในซอฟต์แวร์ด้วย การเพิ่มอุณหภูมิฮิสเทรีซิส แทบไม่มีประเด็นในโลกแห่งความเป็นจริงที่จะรวมทั้งสองอย่างนี้
บรรทัดล่าง
หาก Raspberry Pi 4 ของคุณใช้สำหรับเวิร์กโหลดที่ยั่งยืน คุณจะต้องใช้ระบบระบายความร้อนบางรูปแบบเพื่อให้เกิดประโยชน์สูงสุด แม้ว่าตัวเลือกฮีทซิงค์แบบพาสซีฟนั้นเรียบง่ายและราคาถูก แต่ก็เป็นเพียงวิธีแก้ปัญหาบางส่วนเท่านั้น ในทางตรงกันข้าม Fan Shim แก้ปัญหาได้อย่างสมบูรณ์ – หรืออย่างน้อยส่วนใหญ่ในขณะที่ให้คุณโอเวอร์คล็อก Pi 4 ของคุณผ่าน 2 GHz
ข้อแม้ที่ป้องกันไม่ให้แก้ไข “อย่างสมบูรณ์” อย่างแท้จริง: Fan Shim มีผลเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่ค่อนข้างเปิดกว้าง หรือเมื่อใช้กับกรณีต่างๆ เช่น Pimoroni’s Pibow ซึ่งไม่ได้ปิดบังไว้ หากติดตั้งในกล่องปิด เช่น เคส Raspberry Pi 4 อย่างเป็นทางการ Fan Shim สามารถทำได้มากเท่านั้น และการควบคุมปริมาณภายใต้ปริมาณงานที่คงอยู่อาจยังคงมีปัญหาอยู่ วิธีแก้ปัญหา: มองหาเคสที่มีการระบายอากาศ หรือเจาะไปที่ Official Case เพื่อสร้างเคสของคุณเอง
งานหนักบางอย่างและสภาพแวดล้อมที่ปิดล้อม แม้ว่า Raspberry Pi 4: ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เสริมการระบายความร้อนทั้งแบบแอคทีฟและพาสซีฟโดยเด็ดขาด แม้จะกดที่จุดควบคุมความร้อน ก็ยังเป็นการอัปเกรดที่ทรงพลังอย่างน่าประทับใจจากรุ่นก่อน และการที่ร้อนจัดก็ไม่น่าจะทำ แผงความเสียหายถาวรใดๆ – จุดเค้น 80 องศาเซลเซียสอยู่ต่ำกว่าอุณหภูมิการทำงานสูงสุดของส่วนประกอบอย่างสบาย
Raspberry Pi 4 Heatsink และ Fan Shim มีจำหน่ายแล้วที่ Pimoroni
Raspberry Pi 4 ฮีทซิงค์
Raspberry Pi 4 Fan Shim
เครดิตรูปภาพ: Gareth Halfacree
