Ventola si, ventola no

 Da qualche tempo, chi si avvicina al mondo Raspberry Pi, si pone una domanda, prima totalmente assente: Mi servirà una ventola di raffreddamento, Si o No?

Tutto nasce dalla psicosi che si è creata con i primi (superficiali) unboxing di Raspberry Pi 4. A causa di un firmware ancora incompleto e al solo utilizzo di benchmark sintetici (cioè artificiali, scritti appositamente per mettere al 100% CPU e GPU contemporaneamente di continuo, cosa che non accade nell’uso di un computer), mista con un po’ poca conoscenza dell’hardware Raspberry Pi, si è diffusa la credenza (ancora oggi dura a morire) che per usare un Pi 4 sia indispensabile usare una ventola.

Benchmark

I benchmark “sintetici” sono programmi scritti appositamente per mettere sotto stress un processore. Nel nostro caso, impegnano al 100% contemporaneamente CPU e GPU. E’ importante capire che questo tipo ti test ha valenza per comprendere la potenza pura di un chip in confronto con altri, ma non ha senso usare test di questo genere nel valutare le prestazioni termiche.

Mi spiego. Prendo una utilitaria e una Ferrari. le metto al banco e gli faccio un test artificiale: premo l’acceleratore a fine corsa per 10 minuti di fila, e mando i motori al massimo. Alla fine del test, rilevo che il motore V12 Ferrari ha consumato più carburante e che si è scaldato di più rispetto a quello dell’ utilitaria. Certo, ha anche 830CV contro i 60CV dell’utilitaria! E’ normale che scaldi di più, in quelle condizioni di utilizzo.

Però, facciamo invece una prova di uso reale: entrambe le auto a 150km/h in pista ad anello per mezz’ora. poi quale sarà l’auto con le temperature più vicine al limite? L’utilitaria, perché con i suoi 60 CV, i rapporti più corti ecc, il motore ha dovuto girare a regimi molto alti, mentre per la Ferrari è stata poco più di una passeggiata. 

Potenza

Raspberry Pi 4 è molte volte più potente dei suoi predecessori

Linpack Test (MIPS)

Raspberry Pi 4	2037
Raspberry Pi 3B+	526
Raspberry Pi 3	461
Raspberry Pi 2	298
Raspberry Pi Zero	64
Raspberry Pi originale	50

 

Prendendo i due estremi, possiamo dire che il Pi 4 è 40 volte più potente di Raspberry Pi 1 originale.

Nell’utilizzo reale, nello svolgimento di un “lavoro”, ci sono 2 metodi di elaborazione: quello in cui viene chiesto di eseguire il lavoro nel minor tempo possibile (ad esempio calcolare un rendering o un calcolo in genere) oppure quello in cui un lavoro deve essere eseguito in tempi precisi che non variano con la potenza del processore (ad esempio un filmato, un videogame, ecc.).

Due modi di funzionamento

Immaginiamoci un calcolo complesso, che richiede del tempo: il Raspberry Pi 1 ci impiega 5 minuti per portarlo a termine. In quei 5 minuti la CPU è al 100% e le temperature salgono. Ora prendiamo lo stesso calcolo, e facciamolo fare al Pi 4. Quest’ ultimo ci impiegherà 7,5 secondi. La CPU sarà al 100% per 7,5 secondi, e la temperatura non fa letteralmente in tempo a salire sensibilmente. A parità di lavoro svolto. Il Pi 4 resta più “fresco” del Pi 1.

Analizziamo l’altro metodo di funzionamento: quello dipendente dal tempo, non dall’elaborazione. Riproduciamo un filmato Full-HD e per parità di condizioni (Pi 4 ha una GPU più potente dei modelli precedenti), scegliamo un codec che non abbia supporto all’accelerazione hardware della GPU, dove quindi faccia tutto la CPU. Sul Pi 1 la CPU magari è impegnata al 90% per riprodurre il filmato. Mentre sul Pi 4, l’impegno per lo stesso lavoro è del 2,25%. Quale dei due Raspberry si scalderà di più? Anche in questo caso, Il Pi4 sarà più fresco.

Abbiamo quindi visto che l’utilizzo reale è molto differente dai benchmark sintetici. Intendiamoci: Pi 4 è potente, se spinto al massimo consuma più dei modelli precedenti, e deve dissipare più Watt sotto forma di calore. Ma non confondetelo con un PC, che è ricco di ventole: un PC può avere un alimentatore da 600, 650 W, mentre il Pi4 al massimo, ne consuma circa 7, di Watt. Quindi in usi intensivi ( calcolo continuo) certamente scalda più degli altri modelli (ricordate la Ferrari con l’acceleratore sempre a fine corsa?), ma si tratta di utilizzi che molto raramente si trovano nell’utilizzo reale (io ho riscontrato necessità di raffreddamento solo usando BOINC per il calcolo distribuito h24, altri esempi non me ne vengono).

Il Firmware

Raspberry Pi 4 è risultato pronto per la commercializzazione poco più di un anno prima del previsto. Infatti, solitamente nello sviluppo di un nuovo chip, i primi modelli reali non funzionano come i modelli virtuali utilizzati in progettazione. Si vede cosa c’è che non va, si corregge e via così. Solitamente occorrono diverse revisioni per giungere a uno standard commerciale. Nel caso del SoC BCM2711 che equipaggia il Raspberry Pi 4 già la seconda revisione ha superato tutti i test necessari per la commercializzazione. Tutto fantastico? Nì: l’hardware era pronto, il software non ancora. A partire dal firmware stesso (quella parte di codice che risiede sulla scheda e che serve al suo funzionamento), poi anche il sistema operativo (Raspberry Pi OS a 64 bit era mancante di molte parti, tanto è che è in beta ancora oggi), e di applicativi (diversi software hanno impiegato molto tempo a creare una loro versione adatta all’hardware del Pi4, così diverso dai precedenti, senza avere avuto in anticipo prototipi o documentazione.

Il risultato è stato lanciare sul mercato il Pi 4 con un firmware molto basico, che non integrava nemmeno la gestione dei consumi dei vari chip della scheda, e qualche bug di troppo che faceva salire la temperatura più del necessario.

Oggi la situazione è sensibilmente diversa: il firmware è stato aggiornato molte volte, e ed ancora in sviluppo per migliorarlo di continuo. Per aggiornarlo è sufficiente aggiornare il Raspberry con l’opzione full-upgrade. Nel dettaglio:

Aggiornerà tutti i software, il sistema, il kernel e… il firmware.

Per vedere le immagini termiche ottenute a riposo e durante i benchmark , i grafici e i confronti tra le varie versioni del firmware del Pi 4, vedi lo speciale sulla rivista ufficiale The MagPi, numero 88, qui disponibile gratuitamente, tradotta in italiano.

Thermal throttling

Tutte le CPU moderne dispongono di questa funzione (e tutti i modelli di Raspberry Pi), utile a proteggere i componenti elettronici da eventuali danni. Al raggiungimento di una soglia prestabilita il clock viene abbassato per favorire il raffreddamento del chip. Questa situazione viene segnalata da una icona di un termometro rosso in sovraimpressione nell’angolo superiore destro dello schermo. Questa funzione è integrata nel firmware, e funziona quindi con ogni distribuzione software. Se non compare mai il termometro rosso, non c’è alcuna necessità di raffreddare il Raspberry Pi.

La presenza del thermal throttling serve proprio a evitare dei danni o di rischiare di accorciare la longevità della scheda. Non causa alcun danno, li previene, intervenendo con soglie ampiamente più basse di quelle pericolose. 

La Fondazione Raspberry Pi

La fondazione Raspberry Pi ha più volte dichiarato che Raspberry Pi 4 (con il firmware aggiornato) si può utilizzare tranquillamente senza alcun sistema di raffreddamento, ha dimostrato, con uno stand di plastica, che una corretta posizione della scheda (in verticale, lato lungo in basso, pin GPIO in basso) può aiutare a lavorare con temperature più basse, ha presentato il Pi 400, che, più potente del Pi 4 si accontenta di una grezza piastra metallica non alettata per rimanere abbondantemente sotto i 50 gradi in un case quasi completamente chiuso…

Ha anche ricordato che la progettazione avviene tenendo conto della temperatura di funzionamento normale (e che quindi abbassarla in modo estremo potrebbe non essere una buona idea), che un dissipatore fosse indispensabile al corretto funzionamento, la scheda lo avrebbe di serie… Ma niente, alla fine si è “arresa” e ha fornito un sistema software, integrato in Raspberry Pi OS, per comandare un pin del GPIO in base alla temperatura del SoC, e prodotto una micro ventolina da collegarci (con annesso dissipatore: una ventola senza dissipatore passivo serve come una garage senza auto).

Ma (intelligentemente) la temperatura limite di default è impostata a 80 gradi (a temperature più basse, non serve raffreddare il Soc di Raspberry Pi, da 85 in poi, c’è il thermal throttling)

Ventole su GPIO

Se alla luce di quanto scritto su, si necessita di una ventola di raffreddamento, la cosa peggiore che si possa fare, è collegarla al GPIO, se non creando un circuito elettronico adatto a pilotarla oppure se non lo ha già integrato (come la FanShin o quella ufficiale), e posizionarla dentro al case (se non sia abbia fatto un accurato studio sulla dinamica dei fluidi, come per quella ufficiale). 

Alimentazione da GPIO

Lo so che il 98% delle ventole sono collegate così, ma so anche che non è una cosa che mi sento di consigliare: le ventole usano un motore brushless, senza spazzole. Qui si può vedere, nel dettaglio, come funziona.

+5V

Se collegate sul pin +5V, dovrebbero essere correttamente alimentate (non vi è limitazione sulla corrente qui, se non quella fisica di dimensione della pista e del pin), ma è anche la stessa linea di alimentazione da cui viene derivata quella del SoC, che è tanto schizzinoso con le alimentazioni un po’ sporche o basse. E collegarci un motore brushless che funziona con continue commutazioni e inversioni delle correnti, non è il massimo, soprattutto senza filtri per evitare ripple sull’alimentazione.

+3,3V

Se collegate su un pin programmabile 3,3V, le ventole girano più piano, sono quindi più silenziose e il pin è comandabile a seconda della temperatura interna del SoC (funzione già presente nel firmware, raggiungibile da raspi-config o da Configurazione Raspberry Pi). Ma (ovviamente c’è un “ma”) questi pin possono fornire solo circa 16 mA, cioè 0.016 A. E sono decisamente troppo pochi per una ventolina. Così, sottoalimentata sia in corrente che in tensione può funzionare male nella sua parte interna, quegli “interruttori” elettronici che commutano la corrente sulle bobine e i sensori di hall che captano quando le bobine raggiungono la posizione per cui è opportuno commutare l’alimentazione alle altre bobine. Insomma il rischio che vada fuori sincrono è alto, e quindi comincerà a generare rumore, prima elettrico, sotto forma di disturbo e di emissione elettromagnetica, poi uditivo, perché girando male, diventerà presto rumorosa e finirà per guastarsi.

Se, dopo quanto scritto su, vi servisse una ventola comunque (i casi particolari esistono), fate in modo, almeno, di non alimentarla dai pin del GPIO. Scegliete di alimentarla a parte. Se dovete farla controllata dalla temperatura, il pin del GPIO usatelo solo come segnale logico per comandarla, non per alimentarla.

Raffreddamento passivo

Se usate il Raspberry in modo intenso, o magari se lo utilizzate h24 in condizioni non proprio ideali (ad esempio appiccicato dietro la TV che scalda già di suo, o in una cassetta da esterno colpita dal sole ecc), allora come  raffreddarlo, per stare più tranquilli? Sempre sulla rivista ufficiale, The MagPi hanno testato i case “raffreddanti” per Pi4. Il risultato è stato lampante: il peggiore è stato l’unico case dotato solo di ventola. I migliori risultati li hanno dati i case in alluminio, che oltre a proteggere la scheda hanno anche la funzione di dissipare il calore in modo passivo con tutta la loro superfice. Puoi leggere il dettaglio del test sul numero 90 della rivista, qui disponibile gratuitamente in italiano.

offerte

Il migliore è stato l’Argon One, case dissipante in alluminio che ha al suo interno una ventola comandabile via software (spesso non parte mai, col nuovo firmware).  Qui in offerta a meno di 20 euro

Ma oggi ci sono case anche più economici che offrono comunque buone prestazioni dissipanti. Ad esempio per circa 8 euro, questo mi ha stupito per la sua qualità costruttiva: molto preciso e massiccio.

Conclusioni

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