Raspberry Pi 4 стала гораздо холоднее! За последние четыре месяца обновления прошивки уменьшили энергопотребление в ждущем режиме на 1/2 Вт и почти на 1 Вт под полной нагрузкой. Гарет Халфакри провёл тепловое тестирование платы для журнала MagPi.

Raspberry Pi 4 Model B

Raspberry Pi 4 выпустили, снабдив её большим количеством новых свойств, чтобы соблазнить пользователей на обновление: более мощные CPU и GPU, больше памяти, гигабитный Ethernet, поддержка USB 3.0. Увеличение процессорной мощности влечёт увеличение энергопотребления, а Raspberry Pi 4 – самый жадный до энергии член семейства.

Запуск каждой новой модели Raspberry Pi – это лишь начало истории. Разработка платы идёт постоянно, и обновления ПО и прошивок улучшают каждый вариант платы ещё долго после того, как она выходит за пределы фабрики.

Обновления Raspberry Pi 4

Raspberry Pi 4 не является исключением: с момента её выхода уже было выпущено несколько обновлений, уменьшивших её энергопотребление, и в результате – нагрев. И эти обновления подходят к Raspberry Pi 4 вне зависимости от того, купили вы её в день выхода или же заказываете только сегодня.

В данной статье мы рассмотрим, как каждое последующее обновление улучшало Raspberry Pi 4, при помощи искусственной программной нагрузки (не реальной задачи), чтобы как можно скорее разогревать систему на кристалле ^[1] (СнК) до максимально возможной температуры.

И вот каких чудес способно достичь простое обновление прошивки.

Как мы тестировали обновления прошивки Raspberry Pi 4

Чтобы проверить, насколько хорошо каждая прошивка справляется с нагревом, мы разработали искусственную, требовательную к потреблению высокую нагрузку, имитирующую самый плохой вариант. Утилита stress-ng постоянно нагружает все четыре ядра CPU. Тем временем утилита glxgears загружает работой GPU. Утилиты устанавливаются командой:

sudo apt install stress-ng mesa-utils

Нагрузить CPU можно командой:

stress-ng --cpu 0 --cpu-method fft

На установках по умолчанию команда будет работать весь день; для отмены нажмите CTRL+C.

Нагрузить GPU можно командой:

glxgears –fullscreen

Программа покажет 3D-анимацию шестерёнок, заполняющую экран целиком. Чтобы закрыть её, нажмите ALT+F4.

Подробности работы команд читайте тут:

man stress-ng
man glxgears

Во время тестирования обе нагрузочные программы работали вместе 10 минут. После этого Raspberry Pi 4 остывала 5 минут.

Фотографии с тепловизора были сделаны в режиме ожидания, а потом через 60 секунд после нагрузки одной командой stress-ng.

Показатели для базового уровня: Raspberry Pi 3B+

Устройство Raspberry Pi 3B+ получило широкое признание, и чтобы обойти его по данным показателям, нужно было постараться.

До выхода Raspberry Pi 4, Raspberry Pi 3 Model B+ была обязательным к покупке одноплатным компьютером. Эта модель получила все преимущества, достигнутые при разработке предыдущей, Raspberry Pi 3 Model B, плюс обновлённое железо, и до сих пор является популярным устройством.

Давайте сначала посмотрим, как она ведёт себя, перед тем, как испытывать Raspberry Pi 4.

Энергопотребление

Эффективный процессор и улучшенная по сравнению с предшественником схема цепи питания позволяет Raspberry Pi 3B+ потреблять меньше энергии: в режиме ожидания это всего 1,91 Вт, а под искусственной нагрузкой идёт увеличение до 5,77 Вт.

Снимки с тепловизора

В режиме ожидания

Под нагрузкой

Тепловизор показывает, на что уходит энергия. В режиме ожидания СнК относительно холодная, и горячим местом является контроллер USB/Ethernet справа в середине. Под нагрузкой, после 60 секунд интенсивной работы CPU, СнК становится самым горячим компонентом, достигая температуры в 58,1 °C.

Тепловой пропуск тактов [thermal throttling]

На графике показана скорость и температура Raspberry Pi 3B+ CPU во время десятиминутной нагрузки. Тесты идут одновременно на CPU и GPU, а затем следует пятиминутное остывание. Raspberry Pi 3B+ быстро достигает точки «мягкого пропуска тактов» при температуре 60°C, который призван не дать СнК достичь жёсткого ограничения в 80°C, и CPU продолжает работать в таком режиме на частоте 1,2 ГГц всё время, пока работает измерение.

Прошивка Raspberry Pi 4, шедшая с самого начала

Самая быстрая плата из серии требовала больше всего энергии

Raspberry Pi 4 Model B вышла, имея несколько улучшений по сравнению с Raspberry Pi 3B+, включая значительно более мощный CPU, новый GPU, увеличение объёма памяти до 4 раз, и порты USB 3.0. Но у всего этого железа есть своя цена: увеличение энергопотребления и нагрева. Давайте посмотрим, как Raspberry Pi 4 вела себя с начала продаж.

Энергопотребление

Сомнений нет, Raspberry Pi 4 сразу после выхода была голодной зверюгой. Даже в режиме ожидания на рабочем столе Raspbian плата потребляет 2,89 Вт, достигая максимума в 7,28 Вт в случае искусственной нагрузки CPU и GPU – значительно больше, чем у Raspberry Pi 3 B+.

Снимки с тепловизора

В режиме ожидания

Под нагрузкой

Снимки с тепловизора показывают, что Raspberry Pi 4 с прошивкой первого дня выпуска греется даже в режиме ожидания, и самыми горячими местами служат USB-контроллер справа в середине, и цепь управления питанием слева внизу. Под сильной нагрузкой СнК на 60-й секунде достигает температуры в 72,1°C.

Тепловой пропуск тактов

У Raspberry Pi 4 получается работать дольше, чем у Raspberry Pi 3 B+, прежде чем искусственная нагрузка заставляет его перейти в режим пропуска тактов. Однако она всё же переходит в этот режим – на 65-й секунде. При работающей нагрузке CPU падает с 1,5 ГГц до стабильных 1 ГГц, а потом к концу проседает до 750 МГц.

Прошивка Raspberry Pi 4 VLI

В первом крупном обновлении прошивки Raspberry Pi 4 было сделано управление питанием USB-контроллера Via Labs Inc. Контроллер работает с двумя портами USB 3.0, и прошивка позволила ему меньше нагреваться при работе.

Энергопотребление

Даже без подсоединения чего-либо к портам Raspberry Pi 4 видно улучшения в прошивке VLI: потребление в режиме ожидания упало до 2,62 Вт, а под нагрузкой доходит максимум до 7,01 Вт.

Снимки с тепловизора

В режиме ожидания

Под нагрузкой

Неудивительно, что наибольшее влияние на температуру прошивка оказывает в районе чипа VLI справа посередине; также она помогает уменьшать температуру СнК в центре и цепь правления питанием слева внизу. СнК достиг 71,4 °C под нагрузкой – небольшое, но измеримое улучшение.

Тепловой пропуск тактов

Управление питанием VLI кардинально изменило поведение карты под нагрузкой: точка включения пропуска тактов отодвинулась до 77-й секунды, CPU больше времени работает на максимальной частоте 1,5 ГГц, и вообще не падает до 750 МГц. СнК к концу теста также охлаждается заметно быстрее.

Прошивка Raspberry Pi 4 VLI, SDRAM

Следующая прошивка, разработанная для использования одновременно с управлением питанием VLI, изменяет работу памяти Raspberry Pi 4 — LPDDR4 SDRAM. Не влияя на производительность, она помогает ещё уменьшить энергопотребление как в режиме ожидания, так и под нагрузкой.

Энергопотребление

Как и в случае обновления VLI, обновление SDRAM приносит желанное падение в энергопотреблении как в режиме ожидания, так и под нагрузкой. Теперь Raspberry Pi 4 потребляет 2,47 Вт в режиме ожидания и 6,79 Вт под нагрузкой – серьёзное улучшение по сравнению с первоначальной 7,28 Вт.

Снимки с тепловизора

В режиме ожидания

Под нагрузкой

Снимки с тепловизора показывают самое серьёзное улучшение из всех, и как СнК, так и цепь управления питанием греются в режиме ожидания значительно меньше. После 60 секунд нагрузок СнК остаётся значительно холоднее, 68,8°C – почти на 3 градуса меньше по сравнению с обновлением VLI.

Пропуск тактов

Более холодный СнК положительно влияет на работу платы: точка пропуска тактов под нагрузкой отодвинулась до 109 секунд, а после этого Raspberry Pi 4 продолжает скакать между 1,5 ГГц и 1 ГГц в течение десяти минут – это значительно увеличивает быстродействие.

Прошивка Raspberry Pi 4 VLI, SDRAM, Clocking, и Load-Step

В сентябрьском обновлении 2019 года есть несколько изменений, включая и предыдущие улучшения с VLI и SDRAM. Самое большое изменение состоит в том, как BCM2711B0 увеличивает и уменьшает тактовую частоты в ответ на запросы и температуру.

Энергопотребление

Улучшения сентябрьской прошивки постепенные: потребление в режиме ожидания уменьшилось до 2,36 Вт, а под нагрузкой – до 6,67 Вт, безо всякого снижения быстродействия или потери функциональности.

Снимки с тепловизора

В режиме ожидания

Под нагрузкой

Улучшение управления тактовой частотой значительно снижает температуру в режиме ожидания. Под нагрузкой улучшается всё – СнК доходит до максимума в 65°C через 60 секунд нагрузки, а чип VLI и цепь управления питанием остаются явно более холодными.

Пропуск тактов

С этой прошивкой точка пропуска тактов у Raspberry Pi 4 под нагрузкой отодвигается до 155 секунд – более чем в два раза увеличивая время по сравнению с первой прошивкой. Общая средняя скорость также растёт благодаря более агрессивному возврату до частоты 1,5 ГГц.

Прошивка Raspberry Pi 4 Beta

Однако в Raspberry Pi никто не собирается почивать на лаврах. Идёт тестирование бета-прошивки, которую скоро собираются выпускать. В ней есть множество улучшений, включая более точное управление рабочим напряжением СнК и оптимизация тактовой частоты для конечных автоматов HDMI.

Для обновления вашей Raspberry Pi до последней прошивки, напишите в терминале:

sudo apt update
sudo apt full-upgrade

И перезапустите плату:

sudo shutdown — r now

Энергопотребление

Бета прошивки уменьшает энергопотребление в режиме ожидания, чтобы уменьшить энергопотребление в целом, и подстраивает напряжение СнК, чтобы уменьшить энергопотребление при нагрузках без вреда производительности. В итоге происходит падение до 2,1 Вт в режиме ожидания, и до 6,41 Вт под нагрузкой – наилучшие на сегодня показатели.

Снимки с тепловизора

Улучшения явно видны на снимках с тепловизора. Большая часть платы Raspberry Pi 4 не греется выше 35°C, что было минимумом для первой прошивки. Через 60 секунд нагрузки тоже есть небольшое, но измеримое улучшение, и пиковая температура достигает 64,8°C.

Пропуск тактов

Хотя Raspberry Pi 4 с новой прошивкой всё же переходит в режим пропуска тактов из-за высокой нагрузки синтетического теста, она показывает наилучшие на сегодня результаты: пт происходит на 177-й секунде, а новая система управления тактовой частотой увеличивает среднюю скорость. Также прошивка позволяет чаще увеличивать тактовую частоту в режиме ожидания, ускоряя фоновые задачи.

Улучшайте охлаждение Raspberry Pi 4 её правильной ориентацией

Обновления прошивки обеспечивают отличные результаты, но что если мы повернём Raspberry Pi 4 вертикально?

Хотя самая последняя прошивка способна значительно уменьшить энергопотребление и нагрев, есть ещё один трюк, позволяющий достичь ещё лучших результатов: изменить ориентацию платы. Для данного теста мы поставили Raspberry Pi 4 с последней прошивкой вертикально, так, что интерфейсы GPIO оказались внизу, а порты HDMI наверху.

Пропуск тактов

Простой вертикальный поворот Raspberry Pi 4 даёт мгновенные результаты: СнК в режиме ожидания на 2°C холоднее, чем раньше, и греется медленнее. под нагрузкой плата работает дольше, не переходя в режим пропуска тактов, и поддерживая значительно более высокую скорость.

Тут работает несколько факторов: вертикальная ориентация улучшает конвекцию, позволяя окружающему воздуху быстрее отводить тепло, а поднятие задней части платы с изолирующего тепло стола значительно увеличивает теплоотводящую поверхность.

Время перехода к пропуску тактов

На диаграмме показано, сколько времени потребовалось для перехода на пропуск тактов под нагрузкой. Raspberry Pi 3B+ показала наихудший результат, переходя на пропуск тактов всего через 19 секунд. Каждое последующее обновление прошивки для Raspberry Pi 4 отодвигало эту точку всё дальше и дальше. Однако наиболее серьёзного улучшения можно достичь, поменяв ориентацию платы.

Проверка под реальной нагрузкой

Оставим синтетические нагрузки, и зададимся вопросом – как платы справляются с реальной нагрузкой?

Из всего вышенаписанного сложно сделать вывод о реальной разнице в быстродействии между Raspberry Pi 3B+ и Raspberry Pi 4. Синтетические измерения выполняют требовательные к энергии вычисления, которые редко встречаются в реальных задачах, а кроме того, они бесконечно повторяются.

Компилируем Linux

В данном тесте Raspberry Pi 3B+ и Raspberry Pi 4 получают задание скомпилировать ядро Linux из исходников. Это хороший пример нагрузок на CPU, встречающихся в реальном мире, и гораздо более реалистичная задача, чем синтетические нагрузки из предыдущего теста.

Компиляция ядра: Raspberry Pi 3B+

Raspberry Pi 3B+ совсем рано переходит в режим пропуска тактов и остаётся на 1,2 ГГц до краткого периода охлаждения, когда компилятор переключается с нагрузки на CPU на нагрузку на накопитель, что позволяет плате кратковременно перейти обратно на 1,4 ГГц. Компиляция закончилась за 5097 секунд – один час, 24 минуты, 57 секунд.

Компиляция ядра: Raspberry Pi 4 model B

Явно видно разницу между синтетическими задачами и реальными: Raspberry Pi 4 ни разу не достигает высокой температуры, которая бы заставила её перейти на пропуск тактов, и всю дорогу работает на 1,5 ГГц – за исключением, как и в случае с Raspberry Pi 3 B+, краткого периода, когда изменение работы компилятора позволяет плате упасть до скоростей в режиме ожидания. Компиляция закончилась за 2660 секунд – 44 минуты и 20 секунд.

Автор: Вячеслав Голованов

Источник ^[2]