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加热和冷却树莓派5(Raspberry Pi5)这是真嘞?

上海晶珩电子科技有限公司 来源:上海晶珩电子科技有限公 作者:上海晶珩电子科技 2023-10-13 14:41 次阅读

每当发布新一代的树莓派(Raspberry Pi)时,热控制问题都会引发广泛讨论。人们都在思考是否有必要采取措施以控制热量,以及如果需要,如何最有效地实现。而这一次,随着树莓派5(Raspberry Pi5)的发布,树莓派团队为此推出了两款全新的官方冷却硬件解决方案。作为树莓派的官方代理商,上海晶珩将为您揭开这个引人好奇的谜题,上图:

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树莓派5(Raspberry Pi5)的主动冷却器原型

对于树莓派(Raspberry Pi)的正常使用,添加冷却是完全可选的。树莓派4(Raspberry Pi4)和树莓派5(Raspberry Pi5) 的空闲性能大致相同,在典型负载下,树莓派5(Raspberry Pi5)的运行温度会比类似负载的树莓派4(Raspberry Pi4)低。但是,连续的重负载意味着该板可能会出现故障进入热节流。当事情开始变得太糟糕时,由于有软件控制来限制 CPU 速度,因此会发生节流。尽管如此,即使完全节流,树莓派5(Raspberry Pi 5)仍然比树莓派4(Raspberry Pi4)运行得更快!

但数据让一切变得更好,因此我决定获取一些早期生产硬件并进行一些测试,以帮助您决定是否需要冷却自己的树莓派5(Raspberry Pi5)。

如何测量CPU温度

该vcgencmd命令是有关树莓派(Raspberry Pi) 上发生的事情的非常有用的信息源,Python绑定显示了所有这些信息,并让您以编程方式监视几乎所有需要监视的内容。在这里,我们将用vcgencmd Python绑定来监视温度并将其与当前 CPU 时钟速度和当前限制状态一起记录到文件中。

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一旦我们在终端窗口中启动并运行脚本,我们就可以打开另一个窗口并对所有四个内核启动压力测试以加载 CPU。为此,我将使用stress命令行工具对所有四个 CPU 核心施加繁重的工作负载。

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为了防止过热,所有树莓派( Raspberry Pi) 板都会在温度达到 80°C 时开始对处理器进行节流,并在达到最高温度 85°C 时进一步节流。

无冷却

首先要做的是测量树莓派5(Raspberry Pi5)未冷却时会发生什么情况。在没有任何冷却的情况下,当放在露天实验室工作台上时,树莓派5(Raspberry Pi5) 的CPU空闲温度约为 65°C。

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处理器温度(°C)与时间(秒)。在时间 T=T₀ 时开始压力测试

对于正常使用,添加冷却是可选的。如果您正在观看视频或在桌面上工作,您不会像我们在本次测试中那样对 CPU 造成压力。但是,毫不奇怪的是,由于我们在没有冷却的情况下对 CPU 施加了沉重的持续负载,因此在扩展测试期间,最高温度会攀升至略高于 85°C 的热限制,然后保持稳定。这会导致处理器报告的温度上升到限制之上后持续的热限制。

安装主动冷却器

然后,我使用新的主动冷却器对托管主动冷却进行了相同的测试,然后仍然安装了主动冷却器,但鼓风机的风扇已断开。这两项测试都是在露天实验室工作台上的树莓派5(Raspberry Pi5) 上完成的。

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配备主动冷却器的新型 Raspberry Pi5

Active Cooler 是一款带有集成鼓风机的单件式阳极氧化铝散热器。它具有预涂的导热垫,用于传热,并使用弹簧推针直接安装到树莓派5(Raspberry Pi5)板上。它由树莓派(Raspberry Pi)固件主动管理:在 60°C 时,鼓风机风扇将打开,在 67.5°C 时风扇速度将增加,最后在 75°C 时风扇增加到全速。当温度回落到这些限制以下时,鼓风机的风扇将自动停止旋转。

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处理器温度(°C)与时间(秒)。在时间 T=T₀ 时开始压力测试

由于采用了被动散热器,并且安装了主动冷却器,我们看到闲置温度要低得多,约为 45°C。在长时间的负载测试中,散热器的风扇低速旋转,将CPU温度稳定在60°C,测试期间最高温度为62°C至63°C。

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树莓派 5(Raspberry Pi 5)在负载下(左)和使用主动冷却器(右)的热图像

在负载测试期间,风扇运行时测量到的噪音水平在 35 至 40 分贝之间,这大约相当于您翻书页时产生的噪音。在扩展压力测试期间,风扇实际上不需要全速运行来维持树莓派(Raspberry Pi)的温度控制。

拔掉风扇,仅依靠铝制散热器提供的被动冷却,闲置温度相似;但在扩展负载下,CPU 温度最终会在T₀ + 200 秒左右达到发生热节流的点。

重新接上电缆后,风扇会立即全速旋转,卸下负载后,CPU会在300 秒内冷却到 45°C 左右的空闲温度,当温度降至正常值时,风扇又会降速旋转。

但是HAT呢?


此时很多人都会遇到的一个大问题是,添加 HAT 后会发生什么?

那么,您可以使用一组 16 毫米 GPIO 扩展器在主动冷却器上方安装 HAT。气流不可避免地会受到一些干扰,这会导致树莓派(Raspberry Pi)运行得更热,但主动冷却器仍然能够处理长时间的压力测试,而不会出现明显的温度升高。

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带有主动冷却器的新型 Raspberry Pi5 和即将推出的 M.2 HAT 原型

测试是使用新的 M.2 HAT 原型完成的,从 NVMe 驱动器启动树莓派( Raspberry Pi) - 既因为我碰巧在我的办公桌上有一个,也因为这将是树莓派(Raspberry Pi)的一个非常常见的用例Pi5 - 只是提醒一下:关于原型 M.2 HAT,您真正需要记住的唯一一件事是,量产版本几乎不可避免地与这张照片中的版本完全不同!

当 M.2 HAT 安装在主动冷却器上方时,树莓派(Raspberry Pi)的空闲温度比没有安装 HAT 时略高,约为 49°C。

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处理器温度(°C)与时间(秒)。在时间 T=T₀ 时开始压力测试

在持续负载下,CPU 温度最初升至第二个 67.5°C 触发点,使鼓风机风扇从低速旋转至中速。然而,这很快使 CPU 温度降至触发点以下,进而将风扇速度降至较低设置。随后,在余下的持续测试中,CPU 温度稳定在 64°C 左右。

使用新案例


测试台上的下一个是新的风扇箱。我从主板上取下了主动冷却器,然后将树莓派5(Raspberry Pi5)安装到新机箱中。新表壳由四个部分组成:树莓派( Raspberry Pi) 夹入的底座,然后是框架和风扇组件,最后是夹在顶部的盖子。

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适用于树莓派 5(Raspberry Pi5)的全新 Raspberry Pi 外壳

与主动冷却器一样,风扇组件由树莓派(Raspberry Pi)固件主动管理:在 60°C 时,鼓风机风扇将打开,在 67.5°C 时风扇速度将增加,最后在 75°C 时风扇增加到全速速度。当温度回落到这些限制以下时,风扇将自动停止旋转。

测试以与之前相同的方式进行,首先将风扇组件安装到位,但取下盖子。然后再次将两个风扇组件安装到位,这次将盖子夹在顶部。

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处理器温度(°C)与时间(秒)。在时间 T=T₀ 时开始压力测试

使用风扇箱时,我们发现闲置温度比单独使用主动冷却器高几度,约为 48°C。取下盖子后,我们看到持续负载下的最高温度约为 72°C,而盖上盖子后,我们看到负载下的最高温度略高,约为 74°C。

我们可以看到,虽然负载下的温度高于主动冷却器,但负载下的最高温度仍然远低于 80 和 85°C 的节流温度。

结论

对于正常使用,添加冷却是可选的,尽管添加主动冷却可以提高性能。然而,重的连续负载(例如重建 Linux 内核)将迫使新的树莓派5(Raspberry Pi5)进入热节流状态。对于重负载,热节流可以延长处理时间,对于持续时间超过 200 或 300 秒的重负载,被动冷却可能不足以进行热管理,需要主动冷却来防止发生热节流。

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处理器温度(°C)与时间(秒)。在时间 T=T₀ 时开始压力测试

在决定冷却解决方案时,您应该考虑将树莓派5(Raspberry Pi5)用于何种用途,并据此做出冷却决定,而不是随意增加冷却。因为对于很多日常用例来说,它是不需要的。

任何类型的冷却都不是强制性的,如果不进行冷却,不会对您的树莓派( Raspberry Pi)造成任何损害 - 即使在重负载下节流,树莓派5(Raspberry Pi5)仍然比未节流的树莓派5(Raspberry Pi4)更快。

审核编辑 黄宇

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