Test de refroidissement de Raspberry Pi 4: le dissipateur thermique et le dissipateur de chaleur Pimoroni sont testés
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La est une bête puissante, beaucoup plus chaude que ses prédécesseurs. Bien que l'add-on officiel Raspberry Pi Power-Ethernet (PoE) HAT inclue un ventilateur intégré qui puisse refroidir les choses, il existe des options moins coûteuses pour ceux qui n'ont pas besoin de support PoE, comme un dissipateur thermique passif ou un ventilateur actif. Accessoire Shim de Pimoroni.

Image thermique de Raspberry Pi 4. (Source: Gareth Halfacree)

Ces accessoires abordables vous permettent de limiter ou d’éliminer complètement la régulation thermique afin que vous puissiez obtenir des performances optimales de votre Raspberry Pi 4, quelle que soit la charge de travail, même si vous êtes overclocké. Bien que le dissipateur de chaleur à 2,50 $ / 2,40 £ soit pratique et utile, nos tests ont montré que le Pimoroni Fan Shim (10 $ / 9,60 £) était beaucoup plus efficace. Cependant, il est incompatible avec certains chapeaux et ne vous aidera pas dans une affaire totalement close.

Le problème: l'étranglement thermique

Lorsque le système sur puce (SoC) du Raspberry Pi 4 atteint une certaine température (juste au-dessus de 80 degrés Celsius), il réduit sa vitesse de fonctionnement pour se protéger des dommages. Pour ceux qui utilisent le Raspberry Pi 4 pour des tâches courtes et fastidieuses comme la navigation sur le Web, la modification d’un document ou la programmation en Scratch ou en Python, ce n’est pas un problème. Toutefois, en charge soutenue, la limitation du processeur peut avoir un impact réel sur les performances.

Le graphique ci-dessus montre un Raspberry Pi 4, sans boîtier en plein air, exécutant une charge de travail intensive du processeur et du processeur graphique pendant dix minutes. La température atteint bientôt le point d’accélération et la fréquence du processeur diminue de 1,5 GHz à 1 GHz au bout de trois minutes et 43 secondes, bien qu’elle revienne rapidement à la baisse lorsque la température baisse. Ce comportement d'horloge montante et descendante se poursuit jusqu'à la fin du test, lorsque la charge est supprimée et que le processeur peut revenir à sa vitesse d'inactivité de 600 MHz pour une récupération correcte.

Le problème n’est exacerbé que si vous overclockez votre Pi: l’augmentation de l’horloge du processeur ou du processeur graphique requiert davantage de puissance, et cette puissance supplémentaire devient une chaleur supplémentaire. Un Raspberry Pi 4 overclocké commencera, toutes choses égales par ailleurs, à s’étouffer plus vite que celui fonctionnant en stock, et passera probablement plus de temps à ses vitesses réduites.

La solution passive: le radiateur Pimoroni

L'ajout d'un dissipateur thermique – une simple pièce de métal thermo-conducteur, généralement façonnée en ailettes, qui dissipe la chaleur du SoC et la diffuse sur une surface plus grande pour un meilleur transfert dans l'air ambiant – est depuis longtemps une amélioration courante Amateurs de Raspberry Pi. Le dissipateur de chaleur Pimoroni, spécialement conçu pour le Raspberry Pi, a une empreinte au sol plus importante que la plupart des autres – à peine à se coincer entre le connecteur DSI (interface série) à gauche et le connecteur CSI (interface série S) au centre – en échange de une faible hauteur qui lui permet de se glisser sous les accessoires normaux HAT, au prix toutefois d'une perte de son flux d'air libre.

L’option dissipateur thermique présente plusieurs avantages par rapport à une solution active: elle est totalement silencieuse et son coût extrêmement faible (2,52 USD / 2,40 £). Le prix comprend une bande adhésive à l'arrière, mais curieusement, Pimoroni n'a pas opté pour un véritable matériau à interface thermique (TIM); Au lieu de cela, la bande adhésive est un ruban de tissu à double couche 9448A 3M – qui n'est généralement pas utilisé pour coller des dissipateurs de chaleur sur des puces, mais qui a été noté par son fabricant pour sa capacité à résister aux températures élevées. Ceux qui utilisent un étui Pimoroni Pibow Raspberry Pi 4 trouveront également une nouvelle découpe dans le panneau supérieur, qui laisse suffisamment de place pour permettre au radiateur de respirer.

L’installation du dissipateur thermique et l’exécution du même repère que ci-dessus montrent un impact certain: le Raspberry Pi 4 démarre à une température légèrement inférieure et s’accélère sur une courbe moins profonde et moins rapide. C’est à l’étranglement que l’impact le plus important est perceptible: grâce à la masse massive en aluminium et à sa surface accrue, il faut près de huit minutes et demie de charge soutenue pour que le processeur de la Raspberry Pi 4 commence à s’étrangler – une amélioration considérable par rapport à l’unité standard. trois minutes et 43 secondes.

Image thermique de Raspberry Pi 4 avec refroidissement par dissipateur thermique. (Crédit: Gareth Halfacree)

Toutefois, il ne suffit pas d’empêcher totalement la limitation – c’est là que l’option active entre en jeu.

La solution active: le ventilateur Shim de Pimoroni

Le ventilateur Shim est un petit circuit imprimé de forme irrégulière livré avec un ventilateur de 30 mm. Une fois assemblé – un boîtier composé de deux boulons, de quatre écrous et encliquetant le connecteur du ventilateur sur le connecteur du circuit imprimé -, l’ensemble peut être glissé sur le connecteur GPIO du Raspberry Pi. Contrairement aux extensions de ventilateur coûtant moins de 10,08 $ / 9,60 £ de la Fan Shim, il est également possible de contrôler le ventilateur via un logiciel – avec un programme d'exemple inclus – alors qu'il existe un bouton tactile et une LED RGB adressable par l'utilisateur sur le tableau pour de bon mesure, bien que le bouton ne fonctionne pas sur le Raspberry Pi 4 tant qu’une bibliothèque GPIO Zero Python mise à jour n’est pas disponible.

En théorie, le circuit imprimé mince du Fan Shim signifie qu’il peut être utilisé en même temps que la plupart des HAT – bien que ne dépendant pas de la broche GPIO BCM18 de GPIO, qui inclut tous les add-ons audio utilisant la connectivité audio I2S, comme le pHAC DAC de Pimoroni. L’installation d’un chapeau de taille normale bloque le flux d’air direct dans le ventilateur par le haut, mais l’espace est suffisant pour qu’il puisse encore refroidir efficacement; un accessoire optionnel Booster Header soulève la HAT pour améliorer encore les choses. Comme avec l'option dissipateur thermique, le nouveau boîtier Pibow comprend une découpe pour le ventilateur Shim et le ventilateur.

Par défaut, le Fan Shim tourne à 4 200 tr / min dès que le Raspberry Pi est allumé. Dans ce mode, ses performances de refroidissement sont extrêmement impressionnantes: le SoC tourne au ralenti à environ 37 degrés Celsius dans un environnement ambiant de 24,5 degrés Celsius et reste inférieur à 55 degrés Celsius tout au long du test. C’est bien en dessous du point d’accélération à 80 degrés Celsius du SoC BCM2711B0 du Raspberry Pi 4; aucune opération d’accélération n’est donc enregistrée – le processeur fonctionne à plein régime à 1,5 GHz. Il y a cependant un coût: le ventilateur prélève 0,6 W supplémentaire de l'alimentation pendant le fonctionnement.

Image thermique du Raspberry Pi 4 avec refroidissement par la calandre. (Crédit: Gareth Halfacree)

Les performances de refroidissement de la Fan Shim sont également très puissantes: même un Raspberry Pi 4 overclocké peut ne pas atteindre son point d’accélération thermique, ce qui en fait un accessoire indispensable pour ceux qui cherchent à obtenir des performances optimales de leur Pi.

Refroidissement commandé par logiciel

Le Fan Shim a cependant un autre mode de fonctionnement: le contrôle logiciel via une interface de programmation d'application (API) basée sur Python. Grâce à cela, il est possible d’allumer et d’éteindre le ventilateur – sans toutefois en modifier la vitesse, autrement qu'en le mettant en marche et en l’éteignant rapidement pour simuler un signal de modulation de largeur d’impulsion (PWM) – et de faire appel au tactile. commutateur et LED RVB.

Un exemple de programme est inclus. Il définit une limite de température supérieure et une température d'hystérésis, que Pimoroni recommande de définir respectivement à 65 ° C et 5 ° C. Lorsque vous utilisez ces paramètres, le ventilateur se met en marche – et le voyant RVB bascule du rouge au vert – à 65 degrés Celsius, puis se refroidit jusqu'à atteindre 60 degrés Celsius avant de s'éteindre et d'attendre que la température augmente à nouveau.

Ici, le Raspberry Pi tourne au ralenti à la même température que son incarnation d'origine non refroidie: environ 50 degrés Celsius. Le ventilateur ne se met pas en marche tant que la température n’atteint pas 65 degrés Celsius. Le reste du test est ensuite activé et désactivé afin de maintenir le Raspberry Pi 4 en dessous de la température cible. C'est ce qu'il fait admirablement: comme avec le mode permanent, le SoC est maintenu loin de son point d'accélération et le test de dix minutes se termine sans qu'une seule opération d'accélérateur soit enregistrée. La même chose est également vraie une fois overclocké, bien que le ventilateur démarre plus rapidement et plus souvent pour compenser la chaleur supplémentaire.

Refroidissement combiné

La plupart des ordinateurs de bureau et portables ne reposent pas uniquement sur un dissipateur thermique ou un ventilateur; ils utilisent une combinaison des deux, et il est possible de le faire avec le ventilateur et le dissipateur thermique – bien que cela ne soit pas recommandé par Pimoroni lui-même, qui a effectué ses propres tests et a trouvé de façon contre-intuitive la combinaison refroidie moins efficacement que le simple usage du ventilateur. seul.

Remarquez qu’un seul moyen de vérifier cela est de faire le même test nous-mêmes. Le dissipateur de chaleur Pimoroni avec Fan Shim connecté en haut est une combinaison qui nécessite vraiment l’installation d’extensions de broches ou d’en-tête Booster de Pimoroni sur l’en-tête GPIO; sans eux, il n’ya pas assez de broches pour que le ventilateur puisse s’agripper et il risque de tomber – court-circuitant éventuellement les broches du GPIO, endommageant ainsi le Raspberry Pi 4.

Pour ce test, le Fan Shim est laissé en mode contrôlé par logiciel avec la même température cible de 65 degrés Celsius que précédemment. Le résultat est un graphique qui ressemble remarquablement à l'utilisation du Fan Shim seul, mais uniquement étiré: le dissipateur de chaleur emmagasine efficacement la chaleur générée par le SoC, ce qui ralentit le temps nécessaire pour que le Fan Shim s'allume; L'inconvénient est qu'il ralentit également le temps qu'il faut pour s'éteindre après. En termes de performances réelles, cependant, il y a peu de différence: une fois encore, le SoC est refroidi au point qu’il n’a pas besoin d’étouffer le CPU pour se protéger.

L'impact sur la performance

Pouvoir empêcher votre Raspberry Pi 4 de freiner aura un impact mesurable sur les performances, bien que le degré de mesure dépendra entièrement de la gravité de cette limitation. Dans notre environnement de test, qui était stable à 24,5 degrés Celsius tout au long de la journée, l’accélération n’était pas terrible: alors que le processeur passait fréquemment à 1 GHz sous charge soutenue, il remontait rapidement à 1,5 GHz. Dans un environnement plus chaud, la régulation se produirait plus tôt et serait maintenue plus longtemps, ce qui signifie que les accessoires de refroidissement auraient un impact plus important sur les performances mesurées.

Pour ce test, il est demandé au Raspberry Pi 4 de compresser un fichier de 8 Go stocké sur un disque SSD USB 3.0 à l’aide de l’utilitaire de compression lbzip2 multithread, en mesurant le temps qu’il prend. Compresser un fichier aussi volumineux sur le Raspberry Pi 4 prend généralement environ vingt minutes, soit environ le double de la charge synthétique résultant des essais de papillon des gaz, et un Raspberry Pi non refroidi déclenche un étranglement thermique.

Il n'y a pas beaucoup de différence entre eux, mais le Fan Shim a vraiment un impact: l'opération de compression a duré 22 minutes et 14 secondes sur un Raspberry Pi 4 non refroidi, mais s'est terminée en 20 minutes et 4 secondes avec le Fan Shim attaché, permettant d'économiser plus de deux minutes – un peu moins d'un gain de performance de dix pour cent. Si l'opération avait duré plus longtemps ou s'était déroulée dans un environnement plus chaud, la différence serait plus grande.

Pour ceux qui n'aiment pas l'idée d'ajouter un ventilateur rotatif à leur Raspberry Pi 4, le dissipateur thermique est une alternative réaliste: avec seulement le dissipateur thermique fixé, la référence est complétée en 20 minutes et 23 secondes – un gain respectable de 8% par rapport aux actions non refroidies. , légèrement à la traîne derrière le Fan Shim. Contrairement au Fan Shim, cependant, il est peu probable que le dissipateur de chaleur offre les mêmes avantages dans un environnement chaud, dans lequel il ne peut pas évacuer la chaleur qu’il conduit suffisamment rapidement, ou pour des charges de travail prolongées de plus de vingt minutes.

Les options combinées Fan Shim et dissipateur thermique, quant à elles, ont été exécutées avec la même marge d'erreur que si vous utilisiez uniquement Fan Shim, ce qui signifie que, sauf si vous souhaitez réduire la durée de commutation du ventilateur, ce que vous pouvez également réaliser avec le logiciel en augmentant la température d'hystérésis, il n'y a pas vraiment d'intérêt à combiner les deux.

Ligne de fond

Si votre Raspberry Pi 4 est utilisé pour des charges de travail prolongées, vous aurez besoin d’une forme de refroidissement pour en tirer le meilleur parti. Bien que l’option dissipateur thermique passif soit simple et peu coûteuse, il ne s’agit que d’une solution partielle; le ventilateur Shim, en revanche, résout le problème complètement – ou du moins, la plupart du temps.

La mise en garde qui l’empêche d’être véritablement «complètement» résolue: le Fan Shim n’est efficace que dans un environnement relativement ouvert, ou lorsqu’il est utilisé dans des cas comme celui de Pimoroni, qui le maintient à découvert. S'il est installé dans un boîtier fermé tel que le boîtier officiel Raspberry Pi 4, le ventilateur ne peut pas en faire plus et la limitation des charges de travail prolongées peut toujours poser problème. La solution: recherchez les cas avec ventilation, ou dirigez-vous vers le cas officiel pour créer le vôtre.

Certaines charges de travail lourdes et environnements confinés mis à part, cependant, aucun accessoire de refroidissement actif ou passif n’est strictement nécessaire sur le Raspberry Pi 4: même en atteignant son point d’accélération thermique, il reste une mise à niveau impressionnante par rapport à ses prédécesseurs, et il est peu probable que la chaleur soit atteinte. prévient de tout dommage permanent – le point d'étranglement à 80 degrés Celsius se situant bien au-dessous des températures de fonctionnement nominales maximales des composants.

Les et sont disponibles chez Pimoroni maintenant.

Catégories : Divers

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