Raspberry Pi 4シングルボードコンピューターは、レビューで実証されているように、前モデルと比べてかなり高性能です。しかし、Raspberry Pi 4、あるいは他のRaspberry Piモデルでも、さらにパフォーマンスを引き出す方法があります。それは、オーバークロックによってCPUとGPUのクロック速度を向上させることです。
Raspberry Piのオーバークロック：知っておくべきこと
Raspberry Pi 4 のオーバークロックは、一見すると設定ファイルを編集するのと同じくらい簡単で、極端なことをしない限り保証が無効になることもありませんが、始める前に知っておくべきことがいくつかあります。
高品質の電源が必要です。Raspberry Pi 4を標準クロックで動作させるのに問題なく動作するサードパーティ製の電源は、オーバークロックしたユニットの要求に必ずしも応えられるとは限りません。Raspberry Pi純正の電源、または信頼できるサードパーティメーカーの高品質な電源を購入し、画面左上の稲妻マークに注意してください。これはRaspberry Piへの電力供給が不足していることを示す警告です。
おそらくアクティブ冷却が必要になるでしょう。特に実験目的であれば必須ではありませんが、Raspberry Pi 4は高温になります。小型のパッシブヒートシンク（Raspberry Pi取扱店で入手可能）は何もしないよりはましですが、アクティブ冷却用のファンを追加するとさらに効果的です。GPIOヘッダーで駆動する超小型ファン、特にPimoroni Fan Shimは良い選択肢です。大型ファン用のマウントが付属するサードパーティ製ケースや、PCBにファンが取り付けられた公式のRaspberry Pi Power-over-Ethernet（PoE）HATアクセサリも検討してください。Raspberry Pi 4を冷却しなくても損傷することはありませんが、すぐに熱制限に達してしまい、オーバークロックの意味が失われてしまいます。
保証についてご心配いただく必要はありません。すべてのRaspberry Piには、システムオンチップ（SoC）内にソフトウェアで設定できる「ヒューズ」が搭載されており、2つの重要な機能が設定された場合にのみ作動します。1つはコア電圧を安全レベル以上に設定すること、もう1つはCPUを常に最高速度で動作させることです。後者（force_turboオプション）の使用を避ければ、保証は有効です。
ファームウェアのアップデート：自己責任で
Raspberry Pi 4のファームウェアによっては、プロセッサクロック速度が2.1GHz以上、GPUクロック速度が700MHz以上になる場合があります。ただし、Raspberry Pi 4の発売当初のファームウェアでは、CPUクロック速度は1.75GHz、GPUクロック速度は600MHzまでしか上がりませんでした。
Pi 4で最新かつ最高のオーバークロック機能を利用するには、最新の試験的なファームウェアビルドにアップグレードする必要があります。このビルドにはバグが含まれている可能性があります。ファームウェアをアップデートするには、ターミナルウィンドウで以下の3つのコマンドを入力してください。
Tom's Hardware の最高のニュースと詳細なレビューをあなたの受信箱に直接お届けします。
sudo apt updatesudo apt dist-upgradesudo rpi-update
本稿執筆時点では、CPUの最高速度は2.147GHz、GPUの最高速度は750MHzでしたが、新しいファームウェアではさらに高速化できる可能性があります。また、すべてのプロセッサが同一ではないため、結果は異なる場合があります。
CPUのオーバークロック
Raspberry Piのワークロードのほとんどは、SoCのCPU（グラフィックプロセッサではなく）のクロック速度に依存しているため、実験を始めるにはSoCから始めるのが最適でしょう。まずは、Raspberry Pi 4とアクセサリ、そしてRaspberry Pi 4と互換性のあるNOOBS（New Out Of Box Software）のコピーが入ったmicroSDカードが必要です。もし不安な場合、特に以前古いモデルを使ったことがある方は、Raspberry Piのウェブサイトから最新のNOOBSをダウンロードしてください。
Raspbianをそのままインストールするのではなく、NOOBSを使う理由はシンプルです。NOOBSには、 Raspbianが起動できない場合でも/bootディレクトリ内の設定ファイルを編集できる機能が搭載されているからです。何か問題が発生してRaspbianが起動しなくなった場合は、起動時にShiftキーを押し続けるだけでNOOBSリカバリモードに入り、そこから設定ファイルを編集できます。
Raspberry Piのコア設定の大部分は、/bootディレクトリにあるconfig.txtという便利なファイルに保存されています。これは標準的なテキストファイルで、様々な方法で開くことができます。Raspbianでダブルクリックするだけで内容を確認できますが、変更を保存することはできません。保存するには、管理者権限が必要です。Ctrl、Alt、Tキーを押してターミナルを開き、以下を入力してください。
sudo nano /boot/config.txt
これにより、Nanoテキストエディタでルートレベルの権限（Windowsの管理者アカウントに相当）でファイルが開きます。カーソルキーを使って一番下までスクロールし、[pi4]とマークされたセクションを見つけます。このセクションには、microSDカードがRaspberry Pi 4で動作している場合にのみ読み込まれる設定が含まれています。別のモデルのRaspberry Piをオーバークロックする場合は、ファイルの一番下まで進んでください。
[pi4]の下の新しい行に、次のように入力します。
過電圧=2arm_freq=1750
最初の設定であるover_voltage=2は、SoCに供給される電圧を約0.05V増加させます。これは大きな値ではありませんが、このわずかなブーストがなければ、Raspberry Pi 4を新しい高クロック速度で起動することはほぼ不可能です。ここでの1ポイントは約0.025Vに相当します。
2つ目の設定であるarm_freq=1750は、SoCの4つのArm Cortex-A72プロセッサコアのクロック速度を1,750MHz（1.75GHz）に設定します。これは、標準の1.5GHz設定から250MHz高速化されます。Raspberry Pi 4にオリジナルのリリースファームウェアが搭載されている場合、1.75GHzが最高速度です。最新の試験的なファームウェアをお使いの場合は、以下の値を試すことができます。
過電圧=6arm_freq=2147
Ctrl + O で変更を保存し、Ctrl + X で Nano を終了します。新しい構成ファイルを再読み込みするには、Raspberry Pi 4 を再起動する必要があります。これは、次のように入力することで実行できます。
sudo 再起動
すべてがうまくいけば、Raspbianは通常通り起動します。そうでない場合は、Shiftキーを押しながらNOOBSリカバリモードを起動し、over_voltage設定を上げるか、 arm_freq設定を下げてみてください。ただし、 force_turbo設定を使用せずにover_voltageを6（コア電圧を0.15V上昇させる値）以上に上げると保証が無効になるため、ご注意ください。
CPUオーバークロックのベンチマーク
Raspberry Pi 4 のオーバークロックは、構成ファイルを微調整するだけではありません。実際のワークロードと合成ベンチマークの両方に実際の影響を及ぼします。
Linpack ベンチマークでは、浮動小数点のパフォーマンスを確認できます。単精度モードと倍精度モードの両方で、オーバークロックを有効にすると 16 ～ 18 パーセントのパフォーマンス向上が見られ、Arm コアの NEON 加速命令を使用する単精度バージョンでは約 15 パーセント向上します。
別のボードに最新の実験用ファームウェアをインストールした後、Linpack（SPのみ）を標準速度、2GHz、2.147GHzで実行しました。この実行では、標準速度ではスコアがわずかに低かったものの、最高クロックでは46%の高速化が見られました。
FFmpegベンチマークを使用してビデオを圧縮したところ、パフォーマンスに大きな違いが見られました。標準速度ではこのタスクを完了するのに49.3秒かかりましたが、2.147GHzクロックでは37.3秒で完了し、24%の改善が見られました。
シングルスレッドの bzip2 圧縮ユーティリティとマルチスレッドの lbzip2 圧縮ユーティリティを使用してランダム データを含む大きなファイルを圧縮する実際のファイル圧縮テストでは、1.75 GHz の速度でシングルスレッドで約 9 パーセント、マルチスレッドで約 7 パーセントの速度向上が見られました。
人気のオープンソースソフトウェア GIMP を使用して作成された画像編集ベンチマークでは、1.75GHz の CPU クロック速度の向上によるメリットがさらに大きくなり、標準クロックの Raspberry Pi 4 の 47.35 秒と比較して 39.2 秒で終了し、17.2% という驚異的な向上が見られました。
ウェブブラウジングも向上しています。ウェブアプリの応答性を測定するSpeedometer 2.0ベンチマークでは、1.75GHzへのアップグレードにより約11%向上しました。2.147GHzへのアップグレードでは21.7GHzとなり、28%の向上が見られました。
ただし、すべてのアプリケーションが新しいクロック速度の恩恵を受けるわけではありません。id SoftwareのQuake III ArenaをベースにしたOpenArenaファーストパーソンシューティングゲームでは、1.75GHzでもフレームレートに誤差が生じる程度です。このようなアプリケーションは通常、CPUではなくGPUの制約を受けるため、パフォーマンスを向上させるにはGPUに何らかの対策が必要です。
GPUのオーバークロック
Raspberry Pi 4のGPUオーバークロックはCPUオーバークロックと同じくらい難しく、以前と同じ設定ファイルを使って制御します。Ctrl、Alt、Tキーでターミナルを開き、以下を入力します。
sudo nano /boot/config.txt
前と同じように[pi4]セクションまでスクロールし、次の行を追加します。
GPU周波数=600
最新の試験的なファームウェアをお持ちの場合は、この数値を750まで上げてみてください。arm_freq設定はCPUクロック速度を制御しますが、gpu_freq設定は当然ながらGPUクロック速度を制御します。デフォルトは500MHzです。600MHzでは大きなリスクなしに適度なパフォーマンス向上が得られ、750MHzではさらに少し向上します。
CPU と GPU の両方をオーバークロックすると、過電圧設定が過剰になる可能性があります。over_voltage =2という行を見つけて変更します。
過電圧=6
Ctrl キーと O キーでファイルを保存し、Ctrl キーと X キーで Nano を終了します。Raspberry Pi 4 を再起動すると、すべて正常になるはずです。Raspbian がロードされない場合は、Shift キーを押したまま NOOBS リカバリ モードに入り、構成ファイルを編集して over_voltage を 6 に増やします。
over_voltage 設定を 6 より大きくしないでください。force_turbo 設定も設定しない限り、これを超える値は無視されます。また、そうすると SoC 内のヒューズが切り替わり、保証が無効になります。
GPUオーバークロックのベンチマーク
CPUベースのベンチマークを再度実行してGPUオーバークロックの影響を確認するのは、CPUオーバークロック後にGPUベースのOpenArenaベンチマークを実行しても意味がないのと同じように、あまり意味がないと思うかもしれません。しかし、それは間違いです。Raspberry PiのGPUは、セットトップボックスやエンターテイメントシステム向けのマルチメディアチップとして開発されたSoCのおかげで、予想以上にシステムを制御できます。
Linpackベンチマークはこれをよく示しています。単精度性能はさらに向上し、CPUのみのオーバークロックではわずか17%だったのに対し、Raspberry Pi 4の標準性能と比べて約20%向上しました。倍精度性能の向上はやや低くなりますが、NEONアクセラレーションによる性能向上は、CPUのみのオーバークロックの15%向上に対して、約20%向上しています。
もちろん、ただで得られるものはない。実際のファイル圧縮テストでは、結果は異なる。シングルスレッド ベンチマークでは、CPU のみのオーバークロックと比べて変化は見られず、マルチスレッド バージョンでは、以前の 6.7% の増加からわずか 1.3% に低下した。
画像編集では、パフォーマンスの低下が再び発生しました。CPU のみのオーバークロックで得られた 17.2 パーセントの向上は 6.6 パーセントに低下し、完了時間が 3 秒も長くなりました。
Web ブラウジングに関しては、状況はいくぶん良くなっています。CPU のみのオーバークロックで測定された 11.2 パーセントのパフォーマンス向上はわずかに向上して 12.4 パーセントになりました。これはわずかな向上ですが、少なくとも他のテストで見られるような損失ではありません。
GPUオーバークロックの真価が発揮されるのは、当然ながらOpenArenaゲーミングベンチマークです。GPUクロックを標準の500MHzから600MHzに切り替えると、ゲームのフレームレートは41.4フレーム/秒から48.2フレーム/秒へと16.4%向上します。
結論
Raspberry Pi 4はすでにパワフルなデバイスであり、様々なベンチマークで前モデルや同価格帯の競合製品を簡単に上回っています。しかし、さらに性能向上を求める方には、オーバークロックがCPUとGPUの両方のワークロードでパフォーマンスを少し向上させる手軽で簡単な方法です。ただし、最大のパフォーマンス向上を実現するには、どちらを重視するかを判断する必要があり、追加の冷却対策を強くお勧めします。
画像クレジット: Tom's Hardware
