Raspberry Pi 4 冷却レビュー：Pimoroni ヒートシンクとファンシムをテスト

Raspberry Pi 4 用の Pimoroni Fan Shim は、オーバークロック速度でもスロットルを防止しますが、一部のハットでは機能しません。

長所

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  驚くほど効果的な冷却

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  長期的なパフォーマンスを向上

• +

  静かな

短所

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  I2S HATと互換性がありません

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  可動部品

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  ボタンには保留中のGPIO Zeroソフトウェアアップデートが必要です

Raspberry Pi 4はパワフルなモンスターで、以前のRaspberry Piボードよりもかなり発熱します。公式のRaspberry Pi Power-over-Ethernet (PoE) HATアドオンには冷却用のファンが内蔵されていますが、PoEサポートを必要としない方には、パッシブヒートシンクやPimoroniのアクティブファンシムアクセサリなど、より安価なオプションもあります。

問題: サーマルスロットリング

Raspberry Pi 4のシステムオンチップ（SoC）は、80℃をわずかに超える程度の一定の温度に達すると、損傷を防ぐために動作速度を低下させます。Webブラウジング、ドキュメント編集、ScratchやPythonでのプログラミングなど、短時間でバースト的な計算処理を必要とするタスクにRaspberry Pi 4を使用する場合、これは問題になりません。しかし、持続的な負荷がかかると、CPUスロットリングがパフォーマンスに大きな影響を与える可能性があります。

上のグラフは、ケースを外したRaspberry Pi 4を屋外に置き、CPUとGPUに負荷のかかるワークロードを10分間実行した様子を示しています。温度はすぐにスロットルポイントに達し、CPU周波数は標準の1.5GHzから3分43秒後に1GHzまで低下しますが、温度が下がるとすぐに再び上昇します。このクロックの上下動はテストの最後まで続き、負荷が除去されるとCPUはアイドル速度の600MHzまで低下し、正常に回復します。

この問題は、Raspberry Piをオーバークロックするとさらに悪化します。CPUやGPUのクロックを上げるには余分な電力が必要になり、その余分な電力は余分な熱になります。オーバークロックしたRaspberry Pi 4は、他の条件が同じであれば、標準で動作しているものよりも早くスロットリングが始まり、スロットリングされた速度で動作している時間が長くなる可能性があります。

パッシブソリューション：Pimoroniヒートシンク

ヒートシンク（通常はフィン状の熱伝導性金属片で、SoCから熱を伝導し、より広い表面積に拡散させて周囲の空気への熱伝導を向上させる）の追加は、Raspberry Pi愛好家にとって長年のアップグレード手法となっています。Raspberry Pi専用に設計されたPimoroniのヒートシンクは、ほとんどのヒートシンクよりも設置面積が大きく、左側のディスプレイシリアルインターフェース（DSI）コネクタと中央下部のカメラシリアルインターフェース（CSI）コネクタの間にかろうじて収まる程度です。その代わりに高さが低く、フルサイズのHATアクセサリの下にも収まりますが、その分、自由な空気の流れは大きく損なわれます。

ヒートシンクオプションには、アクティブソリューションに比べていくつかの利点があります。まず、完全に静音であること、そして2.52ドル/2.40ポンドという非常に低価格であること。価格には背面の粘着テープが含まれていますが、奇妙なことにPimoroniは真の熱伝導材料（TIM）を採用していません。代わりに、3Mの両面コーティングティッシュテープ9448Aが使用されています。これは、ヒートシンクをチップに接着する際に一般的に使用されるものではありませんが、メーカーは高温にも耐えられると評価しています。PimoroniのPibow Raspberry Pi 4ケースを使用している場合は、トップパネルに新しい切り欠きがあり、ヒートシンクの通気口を確保しています。

ヒートシンクを取り付け、上記と同じベンチマークを実行すると、明らかな違いが確認できます。Raspberry Pi 4はわずかに低い温度からスタートし、より緩やかで緩やかな曲線で温度が上昇します。最も大きな影響が見られるのはスロットリングです。大型のアルミ製ヒートシンクと表面積の増加により、Raspberry Pi 4のCPUがスロットリングを開始するまでに、約8分半の持続的な負荷がかかります。これは、標準ユニットの3分43秒と比べて大幅な改善です。

ただし、スロットルを完全に防止するには十分ではありません。そこでアクティブ オプションが登場します。

アクティブソリューション：ピモロニファンシム

Fan Shimは、30mmファンが付属する小型で奇妙な形状のPCBです。ボルト2本、ナット4本、そしてファンの電源ヘッダーをPCB上のコネクタにクリップで留めるだけで組み立てられ、Raspberry PiのGPIOヘッダーに差し込むことができます。Fan Shimの10.08ドル/9.60ポンドよりも安価なファンアドオンとは異なり、サンプルプログラムが付属しており、ソフトウェアでファンを制御することも可能。さらに、触覚ボタンとユーザーが操作可能なRGB LEDも搭載されています。ただし、Raspberry Pi 4では、GPIO Zero Pythonライブラリのアップデートがリリースされるまで、ボタンは動作しません。

ファンシムのスリムなPCBは、理論上はほとんどのHATと同時に使用できます。ただし、GPIOピンBCM18を使用するHATには対応していません。これには、Pimoroni独自のpHAT DACのようなI2Sオーディオ接続を使用するオーディオアドオンが含まれます。フルサイズのHATを取り付けると、ファン上部への直接的な空気の流れは遮断されますが、それでも十分な隙間があるため、効果的な冷却が可能です。オプションのブースターヘッダーアクセサリを使用すると、HATの高さを高くすることができ、冷却性能をさらに向上させることができます。ヒートシンクオプションと同様に、新しいPibowケースにはファンシムとファン用の切り欠きが付いています。

デフォルトでは、Raspberry Piの電源を入れるとすぐにFan Shimが最大回転速度4,200 RPMまで回転します。このモードでは、冷却性能は非常に優れています。SoCは周囲温度24.5℃でアイドル時約37℃で動作し、テスト中は55℃以下を維持しました。これは、Raspberry Pi 4のBCM2711B0 SoCのスロットルポイントである80℃を大きく下回るため、スロットル操作は記録されません。CPUは常時1.5GHzで動作します。ただし、ファンの動作中に電源から0.6Wの追加電力を消費するというデメリットがあります。

ファンシムの冷却性能には十分な余裕があり、オーバークロックしたRaspberry Pi 4でもサーマルスロットルポイントに達することなく動作させることができるため、Piの最高のパフォーマンスを引き出したい人にとっては必須アイテムです。実際、最初のテストでは、ファンシムを取り付けた状態でPi 4を最大2,147MHzまで動作させることができましたが、スロットリングは全く見られませんでした。

ソフトウェア制御の冷却

Fan Shimには、Pythonベースのアプリケーションプログラミングインターフェース（API）を介したソフトウェア制御という別の動作モードがあります。これにより、ファンのオン/オフ（ただし、パルス幅変調（PWM）信号をシミュレートするために高速で連続してオン/オフする以外、速度を変更することはできません）と、タクトスイッチとRGB LEDを操作できます。

サンプルプログラムが付属しており、上限温度とヒステリシス温度を設定できます。Pimoroniは、上限温度を65℃、ヒステリシス温度を5℃に設定することを推奨しています。これらの設定で動作させると、65℃でファンがオンになり、RGB LEDが赤から緑に切り替わります。その後、60℃に達するまで冷却され、その後ファンがオフになり、温度が再び上昇するのを待ちます。

ここでRaspberry Piは、冷却機能のない標準モデルと同じ約50℃でアイドル状態になります。ファンは温度が65℃に達するまで回転せず、その後はテストの残りの時間、Raspberry Pi 4を目標温度以下に維持するために、オンとオフを交互に繰り返します。これは見事です。常時オンモードと同様に、SoCはスロットルポイントから遠く離れており、10分間のテストはスロットル操作が一度も記録されることなく完了しました。オーバークロック時も同様ですが、追加の熱を補うためにファンはより迅速かつ頻繁に作動します。

複合冷却

ほとんどのデスクトップ コンピュータやラップトップ コンピュータは、ヒートシンクまたはファンのみに頼っているわけではなく、両方を組み合わせて使用​​しており、ファン シムとヒートシンクを使用することも可能です。ただし、これは Pimoroni 自身では推奨していません。Pimoroni が独自のテストを実施した結果、直感に反して、ファン シムのみを使用した場合よりも、組み合わせた方が冷却効果が低くなることが分かりました。

念のため言っておきますが、それを検証する方法はただ一つ、私たち自身で同じテストを行うことです。Pimoroniのヒートシンクにファンシムを取り付けた組み合わせは、GPIOヘッダーにピン延長ケーブルかPimoroniのブースターヘッダーを取り付ける必要があります。これらがないと、ファンシムが保持するピン数が足りず、ファンシムが外れてしまう危険性があります。落下の途中でGPIOピンがショートし、Raspberry Pi 4が損傷する可能性があります。

このテストでは、ファンシムはソフトウェア制御モードに設定され、温度目標は前回と同じ65℃に設定されています。結果は、ファンシムのみを使用した場合と非常によく似たグラフになりましたが、実際には伸びています。ヒートシンクはSoCが発する熱を効果的に蓄え、ファンシムの起動時間を遅くします。ただし、その後ファンシムが再びオフになるまでの時間も遅くなります。しかし、実際のパフォーマンスに関しては、ほとんど違いはありません。SoCは再びCPUのスロットリングによる自己保護を必要としないレベルまで冷却されています。

パフォーマンスへの影響

Raspberry Pi 4のスロットリングを防ぐことができれば、パフォーマンスに目に見える効果があります。ただし、どの程度目に見えるかは、スロットリングの程度によって大きく異なります。テスト環境は全体的に24.5℃で安定しており、スロットリングはそれほどひどいものではありませんでした。CPUは持続的な負荷がかかると頻繁に1GHzまで低下しましたが、すぐに1.5GHzまで回復しました。より暖かい環境では、スロットリングはより早く発生し、より長く持続するため、冷却アクセサリが測定されたパフォーマンスに大きな影響を与えることになります。

このテストでは、Raspberry Pi 4に、USB 3.0 SSDに保存されている8GBのファイルを、マルチスレッドのlbzip2圧縮ユーティリティを使用して圧縮するよう指示し、その所要時間を測定します。Raspberry Pi 4でこのような大きなファイルを圧縮するには通常約20分かかり、これはスロットルテストの合成負荷の約2倍に相当します。また、冷却されていないRaspberry Piでは、サーマルスロットリングが発生します。

両者の差はそれほど大きくありませんが、Fan Shim の効果は確かにあります。冷却機能のないRaspberry Pi 4では圧縮処理に22分14秒かかっていましたが、Fan Shimを装着すると20分4秒で完了し、2分以上の短縮となりました。これは10%弱の性能向上です。もし処理時間が長かったり、より高温の環境で行われていたら、この差はさらに大きくなっていたでしょう。

Raspberry Pi 4に回転ファンを追加するのが面倒な方には、ヒートシンクが現実的な代替手段となります。ヒートシンクのみを取り付けた状態でのベンチマークは20分23秒で完了しました。これは、冷却なしの標準状態と比較して8%の大幅な向上となり、Fan Shimよりわずかに遅れています。ただし、Fan Shimとは異なり、ヒートシンクは伝導する熱を十分な速さで放出できない高温環境や、20分を超える長時間のワークロードでは、同等の性能向上は期待できません。

一方、ファン シムとヒートシンクを組み合わせたオプションは、ファン シムを単独使用した場合とまったく同じ誤差範囲内で動作しました。つまり、ファンのオン/オフの切り替え時間を短縮したい場合 (これはヒステリシス温度を上げることでソフトウェアで実現することもできます) を除き、この 2 つを組み合わせる現実的な意味はほとんどありません。

結論

Raspberry Pi 4を長時間のワークロードで使用する場合、その性能を最大限に引き出すには何らかの冷却対策が必要です。パッシブヒートシンクはシンプルで安価ですが、根本的な解決策にはなりません。一方、Fan Shimは問題を完全に解決します。少なくとも、Raspberry Pi 4を2GHzをはるかに超えるオーバークロックにすることで、ほぼ解決できます。

この問題を完全に「解決」できない唯一の理由は、ファンシムが効果を発揮するのは比較的開放的な環境、もしくはPimoroniのPibowのような密閉型ケースと併用した場合のみであるということです。公式Raspberry Pi 4ケースのような密閉型ケースに取り付けた場合、ファンシムの効果には限界があり、継続的なワークロード処理によるスロットリングの問題が依然として残る可能性があります。解決策としては、換気機能付きのケースを探すか、公式ケースをドリルで穴を開けて自作するのがおすすめです。

ただし、特定の高負荷作業負荷や密閉された環境を除けば、Raspberry Pi 4 ではアクティブ冷却アクセサリもパッシブ冷却アクセサリも厳密には必要ありません。熱スロットル ポイントに達した場合でも、前世代機から大幅に強化されており、高温になってもボードに恒久的な損傷が発生する可能性は低いです。スロットル ポイントの 80 度は、コンポーネントの最大定格動作温度よりも十分に低いからです。

Raspberry Pi 4 ヒートシンクとファンシムは現在 Pimoroni から入手可能です。