翻译:树莓派4B不同固件版本的散热性能测试

树莓派4B的推出,获得了广大极客爱好者的青睐。随着树莓派固件的不断更新,其功耗在不断的下降,散热性能也在不断的提高,本文将树莓派3和树莓派4B进行对比,测量树莓派在满负荷运行下的散热性能,得出树莓派的热成像图片和热节流图。以下是具体的测试过程和测试结果。

树莓派4 B型

树莓派4推出了许多新功能,以吸引用户进行升级:更强大的CPU和GPU,更多内存,千兆以太网和USB 3.0支持。更快的CPU和GPU处理能力意味着消耗更多的电能,树莓派4是该系列中最耗电的成员。

新的树莓派模型的发布仅仅是故事的开始。开发是持续不断的,新的软件和固件在其出厂后很长时间都在不断改进。

树莓派4更新

树莓派4也不例外:自发布以来,已经进行了一系列更新,这些更新减少了其电源需求,并因此使其运行时温度更低。这些更新适用于任何树莓派4,无论您是在发布当天还是刚购买时就购买了。

此功能介绍了每个后续固件版本如何改进树莓派4,如何使用综合工作负载(与实际任务不同)设计了合成工作负载,以使片上系统(SoC)在尽可能短的时间内变得最热时间越长越好。

继续阅读以了解简单的固件更新可以起作用的奇迹。

我们如何测试树莓派4固件版本

为了测试每个固件版本处理热量的能力,设计了一种耗电的综合工作负载来代表最坏的情况:stress-ngCPU压力测试实用程序将所有四个CPU内核置于沉重而连续的负载下。同时,用glxgears工具练习GPU。可以通过在终端上键入以下命令来安装这两种工具:

sudo apt install stress-ng mesa-utils

可以使用以下命令运行CPU工作负载:

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

该命令将在默认设置下运行一整天。要取消,请按键盘上的CTRL + C。

要运行GPU工作负载,请输入:

glxgears -fullscreen

这将显示移动齿轮的3D动画,并填满整个屏幕。要关闭它,请按键盘上的ALT + F4

有关这两种工具如何工作的更多信息,请键入:

man stress-ngman glxgears

在对此功能进行测试的过程中,以上两个工作负载均同时运行十分钟。之后,将树莓派冷却5分钟。

闲置拍摄热图像,仅在使用stress-ng运行负载60秒后再次拍摄。

基准测试:树莓派3B +

树莓派3 Model B +已经很成熟,可以击败树莓派4B吗?

在树莓派4出现之前,树莓派3 Model B +是必不可少的单片机。受益于早期树莓派3 Model B的所有工作以及改进的硬件,树莓派3B +曾经是(现在仍然)是一种流行的设备。在测试树莓派4之前,让我们看看它的性能如何。

功率消耗

与之前的产品相比,高效的处理器和电源电路的改进设计有助于保持树莓派3B +的功耗:

树莓派3B+闲置时,该板消耗的功率仅为1.91W;运行合成工作负载时,该功率增加到5.77W。

热成像

  • 树莓派3B +的热量分布(空闲)

  • 树莓派3B +热分布(带负载)

热像仪可显示电源的出路。闲置时,片上系统相对凉爽,而位于中间右方的USB和以太网控制器组合则是一个明显的热点。在负载下,经过60秒的CPU密集型综合工作负载测量,SoC是迄今为止温度最高的组件,温度为58.1°C。

热节流

该图表在耗时10分钟的高强度综合工作负载中测量树莓派3B + CPU的速度和温度。该测试同时在CPU和GPU上运行,然后进行5分钟的冷却。树莓派3B +迅速达到了60°C的“软调节”点,该“软调节”点旨在防止SoC达到80°C的硬调节最大限制,并且在基准测试期间,CPU的调节速度保持在1.2GHz。

树莓派4初始固件

树莓派4 B推出了对树莓派3B +的一系列改进,包括功能更强大的CPU,新GPU,高达四倍的内存和USB 3.0端口。所有这些新硬件都是有代价的:更高的功耗和热量输出。因此,让我们看看树莓派4在启动时的性能。

功率消耗

无可否认,树莓派4在发布时是一只饿了的野兽。即使在Raspbian桌面上空转,该板也消耗2.89W,合成CPU和GPU在工作负载下达到7.28W的峰值–与树莓派3B+的5.77W相比有了很大的增加。

热成像

  • 树莓派4(空闲)
  • 树莓派4(负载)

热像仪显示,使用发布日固件的树莓派4即使在空闲时也能正常运行,USB控制器的热点位于中间偏右,而电源管理电路则位于左下。在合成负载下,SoC的温度在60秒内达到72.1°C。

热节流

树莓派4可以比树莓派3 B +运行更长的时间,之后才减小合成工作负载。但仅需65秒即可调整CPU速度。随着工作负载的运行,CPU从1.5GHz下降到稳定的1GHz,然后在末端下降至750MHz。

树莓派4 VLI固件

USB电源管理可减轻树莓派的发热

为树莓派4开发的第一个主要固件更新为Via Labs Inc,(VLI)USB控制器带来了电源管理功能。VLI控制器负责处理两个USB 3.0端口,并且固件更新使它可以运行在较凉的位置。

功率消耗

即使没有任何东西连接到树莓派4的USB 3.0端口,VLI固件升级也会产生显着影响:空闲功耗降低到2.62W,而在繁重的合成工作量下峰值功耗仅为7.01W。

热成像

  • 树莓派4 VLI固件(空闲)
  • 树莓派4 VLI固件(加载)

毫无疑问,在VLI芯片上看到了对热量的最大影响。VLI固件有助于使SoC保持在中央,电源管理电路的底部比启动固件低。SoC在负载下达到71.4°C –虽小但可衡量的改进。

热节流

在最坏情况下的综合工作负载中,在VLI芯片上启用电源管理会对性能产生重大影响:将软调节点推回到77秒,CPU在其全速1.5GHz速度下花费更多时间,并且测试期间不会降至750MHz。测试结束时,SoC还可以更快地冷却。

树莓派4 VLI,SDRAM固件

驯服了VLI之后,现在轮到内存了

旨在与VLI电源管理功能一起使用的下一个固件更新将更改树莓派4的内存LPDDR4 SDRAM的运行方式。在不影响性能的同时,有助于在空闲和负载时进一步降低功耗。

功率消耗

与VLI更新一样,SDRAM更新在空闲和负载时都会带来功耗下降。树莓派4现在在闲置时消耗2.47W的功率,在最坏情况下的合成负载下消耗6.79W的功率,这比发布时的7.28W有了实质性的改进。

热成像

  • 树莓派4 VLI,SDRAM(空闲)
  • 树莓派4 VLI,SDRAM(负载)

热成像显示了迄今为止最大的改进,安装此更新后,SoC和电源管理电路在空闲时的运行温度都低得多。加载60秒后,SoC的温度明显降低至68.8°C-仅比VLI固件降低了近3°C。

热节流

温度较低的SoC意味着更好的性能:最坏情况下的合成工作负载下的软调节点被推回到109秒,此后,在整个钟的基准测试运行中,树莓派4CPU频率一直在1.5GHz和1GHz速度之间反弹。平均速度大大提高。

树莓派4 VLI,SDRAM,时钟和加载步骤固件

2019年9月的固件更新包括一些更改,同时带来了VLI电源管理和SDRAM固件更新。最大的变化是树莓派4上的BCM2711B0 SoC如何根据需求和温度提高和降低其时钟速度。

功率消耗

9月的固件更新具有增量改进:空闲时的功耗降至2.36W,在最坏情况下的合成工作负载下的负载达到6.67W的峰值,所有这些都不会降低原始性能或功能。

热成像

  • 树莓派4 VLI,SDRAM,时钟(空闲)
  • 树莓派4 VLI,SDRAM,时钟(负载)

改进的处理器时钟可在整个电路板上显着降低空闲温度。在负载下,一切都得到了改善–综合工作量60秒后,SoC达到65°C的峰值,而VLI芯片和电源管理电路显然比以前的固件要凉爽。

热节流

使用此固件,在最坏情况下的合成工作负载下,树莓派4的软调节点一直被推迟到155秒,是发布日固件达到同一点所需时间的两倍多。整体平均速度也提高了,这要归功于更积极的时钟回落至1.5GHz。

树莓派4 Beta固件

目前正在测试中,此beta版本是最新的

树莓派上没有人会为自己的桂冠而休息。Beta固件正在测试中,并将于不久后公开发布。它带来了许多改进,包括对SoC工作电压的更精细控制以及针对HDMI视频状态机的优化时钟。

要将树莓派升级到最新固件,请打开“终端”窗口,然后输入:

sudo apt updatesudo apt full-upgrade

现在,使用以下命令重新启动树莓派:

sudo shutdown - r now

功率消耗

Beta固件减少了空闲时的功耗,以减少总体功耗,同时调整SoC的电压以降低负载时的功耗,而不会影响性能。

结果:空闲时降至2.1W,负载时降至6.41W,这是迄今为止最好的。

热成像

  • 树莓派4 Beta(空闲)
  • 树莓派4 Beta(负载)

空闲时所做的改进在热成像中显而易见:大多数树莓派4的电路板首次低于底部35°C测量点。负载60秒后,有一个较小但仍可测量的改进,峰值测量温度为64.8°C。

热节流

尽管树莓派4仍然可以使用Beta固件进行调节,但是由于用于测试的合成工作负载的巨大需求,它仍可提供最佳结果:调节在177s标记处发生,而新的时钟控制使平均时钟速度显着提高。 该固件还允许树莓派4在空闲时增加时钟频率,从而提高了后台任务的性能。

保持树莓派4凉爽的放置方式

固件升级可带来巨大收益,但是将树莓派放在一边呢?

虽然运行最新固件会大大提高功耗和热量管理,但还有一个技巧可以释放更大的收益:调整树莓派的方向。对于此测试,将安装了Beta固件的树莓派4直立放置,GPIO接头位于底部,电源和HDMI端口位于顶部。

热节流

只需将树莓派4垂直移动即可立即产生影响:SoC的闲置温度比以前的最佳温度低2°C左右,并且加热速度更慢-使其能够长时间运行合成工作负载而不会节流并保持显著提高的时钟速度。

有几个因素在起作用:使组件垂直定向可改善对流,使周围的空气更快地散热,同时将板的背面从绝热的桌面上抬起,则大大增加了可用的冷却表面积。

频率调节时间

该图显示了在合成工作负载下达到节流点所花费的时间。树莓派3B +位于底部,仅需19秒即可进行软调节。同时,树莓派4的每个后续固件更新都进一步推高了油门点-尽管仅通过调整树莓派的方向即可获得最大的影响。

树莓派在真实世界的性能测试

除了综合基准测试,这些板卡在实际工作负载下的性能如何?

查看前几页,很难真正了解树莓派3B +和树莓派4之间的性能差异。为测试树莓派热性能而执行繁重的运算且耗电的操作,并且不断执行,这在实际工作中很少见。

编译Linux

在此测试中,树莓派3B +和树莓派4都被赋予了从源代码编译Linux内核的任务。这是在现实世界中发生的大量CPU工作负载的一个很好的示例,并且比对早期测试故意增加综合工作负载的负担要现实得多。

有了这种工作量,树莓派4轻松成为胜利者。尽管其CPU的全速运行速度仅比树莓派3B +快100MHz,但它的效率要高得多,并且结合运行能力而不会达到其热调节点,几乎可以完成一半的任务。

内核编译:使用树莓派3B +

树莓派3B +在基准编译测试的早期就进行了节流,并一直保持稳定的1.2GHz频率,直到短暂的冷却为止,因为编译器从CPU繁重的工作负荷切换到了存储繁重的工作负荷,从而使其能够短暂回升至再次设为1.4GHz。用时5097秒(1小时24分钟57秒)才编译完成。

内核编译:使用树莓派4B

合成工作负载和实际工作负载之间的区别显而易见:在编译过程中,树莓派4从未达到过足够高的温度以进行节流,树莓派4B始终保持在1.5GHz的全频率下。用时2660秒(44分20秒)就完成了编译,比树莓派3B+节省了40分钟37秒的时间。

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