Koeloplossingen voor de Raspberry Pi 4
Wanneer de processor in de Raspberry Pi 4 een hoop te doen heeft, wordt hij heet. Vanaf 80 graden Celsius verlaagt hij zijn kloksnelheid. Actief of passief gekoeld kan hij dan ook langer op topsnelheid werken. We beoordelen verschillende oplossingen van 2 tot 40 euro.
De System-on-Chip (SoC) in de Pi 4 wordt bij volledige belasting zo heet dat hij de klokfrequentie van de ARM-cores al snel van 1500 MHz naar 1000 MHz moet verlagen. Met de officiële behuizing gebeurt dat al na enkele seconden, en zonder behuizing na anderhalve minuut. Overklok je hem naar 2000 MHz, dan krijgt de SoC het nog sneller te heet – zie het artikel in het vorige nummer [1]. In die gevallen brengt net als bij een pc alleen koeling uitkomst. De (nuttige) koelmogelijkheden beginnen bij kleine passieve aluminium koelblokjes vanaf zo’n 2 euro en eindigen bij een actieve tower-cooler met discoverlichting voor 32 euro. Daartussen zitten passief of actief gekoelde behuizingen van uiteenlopende vormgeving.
Het slechte nieuws: de perfecte koeloplossing bestaat niet. Het goede nieuws: het is zonder veel moeite en lawaai mogelijk om een op 2000 MHz overklokte en continu volledig belaste Pi onder de 80 °C te houden, zodat hij zichzelf niet omlaag klokt. Maar dan kun je geen uitbreidingskaarten (HAT’s) meer gebruiken of niet meer bij de interne aansluitingen voor camera en display en de pinheaders van de GPIO-poorten.
Een actieve koeling met ventilators is trouwens ook niet geruisloos. De geteste ventilators waren wel veel stiller dan je van ventilators van 25 tot 40 millimeter zou verwachten. Heb je de Pi bij het werken aan een project op je bureau liggen, dan hoor je de ventilators allemaal. Op een afstand in een hoek van de kamer vallen ze niet meer op.
Wanneer de Pi als mediacenter naast de televisie staat, speelt ook het uiterlijk nog een rol. Een (half) open oplossing ziet er dan niet zo goed uit als een passief gekoelde behuizing. Aan de hand van onze metingen kun je inschatten welk compromis het beste bij jouw gebruik van de Pi past.
We hebben op dezelfde manier gemeten als in het artikel over het overklokken van de Pi 4 [1]. We hebben daar de shell-scripts monipi.sh en stress-and-log. sh voor gebruikt. Die kun je via de link op de laatste pagina van dit artikel vinden bij GitHub. Ze stellen de Pi in drie etappes bloot aan verschillende belastingen – netwerk, desktop en volle belasting – en meten tegelijk doorlopend de temperatuur en de kloksnelheid. We hebben ze overigens nog een beetje uitgebreid. Je kunt nu bijvoorbeeld alle benodigde programma’s automatisch laten installeren. Het derde script heet howcool.pl en zet de logfiles met Gnuplot om in grafieken. Daar kun je dan goed aan zien hoe de kloksnelheid en temperatuur van de Pi-SoC zich bij verschillende belastingen gedragen. Als basissysteem gebruikten we in alle gevallen Raspbian Buster met desktop en alle updates tot 20 november.
UPDATERISICO
Meet je het zelf na en krijg je niet exact dezelfde uitkomsten, dan kunnen daar meerdere dingen debet aan zijn. Ongeveer een maand geleden heeft de onverwachts toegevoegde firmware-update onze metingen kort voor de redactiesluiting op hun kop gezet – dat kan ieder moment weer gebeuren. Op het moment dat we dit artikel schrijven zijn de ingenieurs van de Raspberry Pi Foundation bijvoorbeeld bezig nog een paar mogelijkheden voor het uitschakelen van ongebruikte hardware in te bouwen. Maar ook andere aanpassingen aan de firmware of zelfs aan een Linuxkernelmodule kunnen het opgenomen vermogen en daarmee de warmteontwikkeling beïnvloeden.
Bovendien hebben we met opzet vals gespeeld. Afzonderlijke pieken in de kloksnelheid hebben we handmatig uit de logbestanden verwijderd. Die ontstaan tijdens rustfasen doordat er bij een multitasking besturingssysteem met draaiende desktop continu een groot aantal processen loopt. Die pieken zouden anders in de grafieken het beeld verstoren van de frequentieontwikkeling door het omlaag klokken vanwege oververhitting. De grafieken van alle hier genoemde koeloplossingen staan bij de link op de laatste pagina. We hebben steeds het gedrag bij 1500, 1750 en 2000 MHz gemeten.
Er zijn meerdere belangrijke factoren die van invloed zijn op hoe effectief een chip gekoeld kan worden. De eerste is de grootte van het oppervlak dat warmte kan afgeven. De metalen heat-spreader op een Pi-SoC is circa 2 cm2. Zet je daar de al jarenlang verkrijgbare aluminium heatsink op met ribben van 4,5 millimeter lang en een bodem van 1 millimeter dik, dan wordt het oppervlak bijna 5 cm2. De tweede belangrijke factor is het verschil in temperatuur van het oppervlak en van het omringende medium – normaal gesproken dus lucht. Hoe groter het verschil, des te sneller de warmteafgifte.
HETE LUCHT
Dat effect varieert met de tijd. Wanneer door convectie (het opstijgen van de door de SoC opgewarmde lucht) of door een ventilator steeds weer nieuwe nog koele lucht langs de SoC stroomt, kan het koellichaam of de heat-spreader van de SoC meer warmte per tijdseenheid afgeven. Het verschil tussen zijn temperatuur en de omgevingstemperatuur blijft namelijk langer groot. Hoe kleiner en dichter een behuizing is, des te sneller de omringende lucht volledig opgewarmd is, waardoor de koelwerking drastisch afneemt. Alleen al daarom is de nieuwe behuizing van de Raspberry Pi Foundation alleen te gebruiken wanneer de Pi maar zelden volledig belast wordt. Die case heeft niet alleen weinig inhoud, maar is ook nog eens zeer gesloten.
De volgende belangrijke factoren zijn de warmtegeleidingscapaciteit van de koelende materialen en de kwaliteit van de overgangen van de eigenlijke chip naar zijn heat-spreader en daar vandaan naar het koellichaam. De eerste overgang kun je vrijwel niet beïnvloeden. Bij de tweede overgang kun je kiezen tussen (apart te kopen) warmtegeleidingspasta en warmtegeleidende folie – of de warmtegeleidende pads die bij de geteste Pi-koelers en koelbehuizingen meegeleverd worden. De verschillen zijn klein.
VANAF 2 EURO
Voor zo’n 2 tot 4 euro is er een beetje een halfbakken oplossing, bestaande uit een set van twee tot vier passief koelende aluminium blokjes voor de SoC en de usb-controller. Het koeleffect is meetbaar, maar wonderen mag je er niet van verwachten. Alle aansluitingen blijven er wel goed bereikbaar mee en de Pi 4 past nog in vrijwel elke normale behuizing. Wanneer je de koelblokjes in combinatie met een opzetkaart (of HAT) wilt gebruiken, moet je letten op de hoogte van het koellichaam voor de SoC. Het bovengenoemde standaardmodel dat al voor oudere Pi’s op de markt was, is te hoog. Bij de ons bekende setjes van vier blokjes, is de SoC-koeler iets lager en past goed onder HAT’s die alleen aan de bovenkant zijn voorzien van elektronische componenten.
Met een passief gekoelde behuizing raak je meer warmte kwijt. Die zijn meestal ook van aluminium. Aan de binnenzijde zitten uitsteeksels die via warmtegeleidende pads stevig op de SoC en/of het RAM drukken. Op die manier dient de hele behuizing als koellichaam. Dat levert dan veel vlakken op die warmte afstralen (waar je je vingers aan kunt branden). HAT’s passen niet in dergelijke behuizingen vanwege de constructie, maar de interne aansluitingen blijven meestal vrij.
KOELENDE BEHUIZINGEN
Een erg populaire behuizing is de Flirc. Die is mooi strak en te koop in de natuurlijke aluminiumkleur of in zwart. Bij de zwarte behuizing staat het logo van het Kodi-mediacenter op het deksel – dat opensourceproject krijgt een deel van de omzet. De camera- en display-aansluitingen zijn daarbij onbereikbaar. De GPIO-pinnen kun je met een lintkabel door een spleet naar buiten voeren. Omdat de ruimte in de behuizing erg krap is, passen normale lintkabels er niet in. Maar op de FAQ bij de behuizing wordt een kabeltype genoemd waarvan de stekker wat kleiner is en niet tegen de behuizing aankomt (zie de link op de laatste pagina). Een van onze test-Pi’s crashte in die behuizing na de laatste firmware-update reproduceerbaar bij een SoC-temperatuur van net iets meer dan 70 °C. Maar dat gebeurde alleen toen hij overklokt was en volledig belast werd. Andere exemplaren doorstonden regelmatig 5 minuten volledige belasting op 2000 MHz. Bij het overklokken moet je er dus altijd rekening mee houden dat verschillende Pi’s zich verschillend kunnen gedragen.
Passief koelen loopt een keer tegen zijn grenzen aan. Misschien wordt de Pi continu belast, of hij wordt in een ongunstige omgeving gebruikt – bijvoorbeeld achter de hele verzameling entertainmentapparaten onder je 65-inch Netflix-monster. Maar een actieve koeling met een ventilator brengt weer nadelen met zich mee. Ventilators hebben stroom en ruimte nodig – en bovendien draaien ze niet geluidloos.
Als je een erg goedkope actieve koeloplossing wilt, koop je voor een paar euro een ventilator van 30 of nog beter 40 millimeter, meestal 7 tot 10 millimeter dik, en maak je daar zelf een houder voor. Let erop dat de ventilator op zowel 3,3 als 5 volt kan draaien. De meeste zijn met een voedingsspanning van 5 volt veel luidruchtiger dan met 3,3 volt. Als de Pi niet voortdurend volledig belast wordt, is het lagere toerental zeker genoeg. Hoe luid zo’n kleine ventilator klinkt, is in die prijsklasse niet te voorspellen. De iets duurdere ventilators van Noctua zijn naar onze ervaring stiller en gaan langer mee dan de no-name exemplaren. Noctua heeft ook de enige ons bekende met PWM aan te sturen 5V-ventilator, die ook voor consumenten te koop is. Die kost wel 15 euro – en de PWM-regeling moet je zelf programmeren. Vrijwilligers?
PI-SANDWICH
Veel kant-en-klare behuizingen met ingebouwde ventilator kosten maar weinig meer dan een zelfbouwoplossing met ventilator en houder. Een ongewoon maar effectief concept is de onder verschillende namen verkochte Armor Case. Dat is in principe niet meer dan een dikke sandwich van aluminium koelribben met twee ingebouwde ventilators van 25 millimeter. Hij koelt voortreffelijk en laat alle aansluitingen vrij. Desondanks beschermt hij de rest van de printplaat en de onderkant tegen kortsluiting als je bij projecten wat onvoorzichtig te werk gaat.
De twee kleine ventilators verbruiken samen wel meer vermogen dan een van de grotere die we uitgeprobeerd hebben. Bij één testexemplaar begon een van de ventilators na korte tijd te zoemen. Nadat we hem uitgeschakeld hadden, was de koeling nog steeds zeer behoorlijk – en zelfs zonder ventilators verlaagde de Pi zijn kloksnelheid pas nadat hij overklokt en volledig belast was.
In de behuizing van GeeekPi zit een 40mm-ventilator in de behuizing in plaats van erbuiten. De meegeleverde koelblokjes komen overeen met de setjes van vier die je elders kunt kopen. Gecombineerd koelen ze de Pi tot 2000 MHz net zo goed, maar iets minder opvallend dan de Armor Case. Onder het deksel blijft een spleet vrij waardoor je jumperkabeltjes naar de GPIO-pinnen kunt steken.
PROGRAMMEERBARE VENTILATOR
Voor makers en programmeurs is de Fan Shim van Pimoroni interessant. De ventilator van 30 millimeter wordt bevestigd op een heel dun printplaatje, dat je over de eerste zes GPIO-pinnen schuift. Alle pinnen blijven fysiek bereikbaar, maar de software neemt er wel een paar in beslag: pin 17 (in de BCM-nummering) schakelt de ventilator aan en uit, via pin 14 en 15 stuur je het rgb-ledje op het printje aan en via pin 18 vraag je de toestand van de micro-switch op de shim op. Een paar voorbeeldprogramma’s in Python (zie de link op de pagina hiernaast) laten zien wat je met de led kunt doen, hoe je de switch opvraagt en de ventilator aanen uitschakelt. Dat kan ook automatisch, afhankelijk van de SoC-temperatuur.
Samen met de halfopen Pibow Coupé 4-case van dezelfde fabrikant is de Fan Shim uitstekend geschikt voor projecten en voor de eerste stappen bij het programmeren in Python. Het koelvermogen is ook voldoende voor een overklokte Pi. De uitsparingen in de bovenste laag van de behuizing zijn groot genoeg om overal goed bij te kunnen. Het geheel heeft een duidelijke maker-uitstraling. Het ledje en de extra elektronica op het printplaatje verhogen het opgenomen vermogen met een halve watt ten opzichte van een alleen aan 5V en massa aangesloten ventilator.
KOELTOREN
De ICE-Tower van GeeekPi is van een nog groter nerd-gehalte en ook iets duurder, maar wel absoluut ‘cool’. Het idee om een lamellenkoeler met een heatpipe en een ventilator te combineren is voor pc-bouwers natuurlijk niets nieuws. Maar voor de Pi hebben we zoiets nog niet eerder gezien. HAT’s kun je daarbij vergeten, en een behuizing ook, maar de GPIO-poorten zijn in ieder geval bereikbaar, als je de koeler zo monteert dat hij in de richting wijst van de twee HDMI-aansluitingen.
Het koelvermogen is boven iedere twijfel verheven. In feite is de ventilator met ingebouwde leds onder normale omstandigheden zelfs overbodig. Als je hem uitschakelt of er helemaal afschroeft, blijft de Pi ook na 5 minuten volledige belasting op 2000 MHz nog ver onder de drempel van 80 °C. De ICE-Tower is daarom zowel actief als passief de meest effectieve koeloplossing die we gevonden hebben.
PI IN DE OLIE
We hebben niet alles uitgeprobeerd wat theoretisch mogelijk is. Stikstof- en waterkoeling zijn duur en lawaaierig. Een bad van dunne minerale olie kost echter weinig en maakt helemaal geen lawaai. Het bereikt bijna de ontspannende werking van een aquarium met levende vissen, maar dan met veel minder onderhoud. De olie houdt ook overklokte Pi’s voldoende koel, al werkt het niet zo goed als de ICE-Tower. Daartegenover staat het grote voordeel dat in tegenstelling tot alle andere genoemde oplossingen alle aansluitingen van de Pi bruikbaar blijven en er geen koellichaam of ventilator is die het gebruik van een uitbreidingskaart verhindert. Desondanks is het oliebad vanwege het ‘geklieder’ maar zeer beperkt geschikt voor projecten waaraan nog met kabeltjes geknutseld moet worden. De wifiverbinding is met netto ruim 5 MB/s dan nog wel prima om te streamen. In het algemeen kunnen we aanraden om alleen de voeding via een kabel te laten lopen, omdat de olie op den duur langs alle door ons gebruikte kabels, ook tegen de zwaartekracht in, uit het bad kroop. Met andere woorden: dat experiment heeft ons de nodige viezigheid, maar ook een hoop plezier bezorgd.
CONCLUSIE
Een intensief gebruikte Pi 4 heeft duidelijk koeling nodig. Als je hem niet of maar weinig overklokt, kun je het nog zonder ventilator en dus zonder lawaai en extra stroomverbruik stellen. Een volledig van aluminium gemaakte behuizing kan al zeer effectief koelen. Bij het uittesten van de overklokgrenzen is een actieve koeling wel aan te raden. Of je de ventilator de lucht laat circuleren in een gesloten GeeekPi-case, in het massieve aluminium blok van de Armor Case of gewoon zichtbaar op de ICE-Tower, is uiteindelijk een kwestie van smaak.
Literatuur
[1] Ingo T. Storm en Noud van Kruysbergen, Het nut van het overklokken van een Raspberry Pi 4, c’t 1-2/2020, p.122