Resfriamento da Raspberry Pi 5: Estratégias de controle de temperatura Deixe um comentário

A cada lançamento de uma nova Raspberry Pi, surgem especulações em torno do controle térmico da placa. As pessoas buscam entender se é uma medida necessária e, em caso afirmativo, quais são as ações necessárias para implementá-la. No caso do lançamento do Raspberry Pi 5, apresentamos duas novas soluções oficiais de hardware para resfriamento.

Cooler ativo da Raspberry Pi 5

Para o uso padrão da sua Raspberry Pi, o acréscimo de resfriamento é totalmente opcional. O desempenho em repouso da Raspberry Pi 4 e da Raspberry Pi 5 é praticamente idêntico, e em situações típicas, a Raspberry Pi 5 tende a operar com temperaturas mais baixas do que um Raspberry Pi 4 submetido a cargas semelhantes.

No entanto, cargas intensas e contínuas podem levar a placa a entrar em limitação térmica. Esse processo é acionado por controles de software que restringem as velocidades da CPU ao detectar aumento excessivo de temperatura. Mesmo quando completamente limitado, é importante notar que uma Raspberry Pi 5 ainda opera a uma velocidade superior à de uma Raspberry Pi 4 sem limitações!

Reconhecendo a importância dos dados, decidimos realizar testes utilizando hardware de produção inicial, a fim de auxiliá-lo na decisão sobre a necessidade de resfriamento para a sua Raspberry Pi 5.

Medição da temperatura da CPU: Método de avaliação

O comando vcgencmd é uma ferramenta incrivelmente útil para obter informações detalhadas sobre o estado da sua Raspberry Pi. As bibliotecas em Python proporcionam acesso a essas informações, permitindo monitorar praticamente todos os aspectos que necessitam de monitoramento. Neste contexto, utilizaremos as bibliotecas em Python do vcgencmd para monitorar e registrar a temperatura, a velocidade atual da CPU e o estado atual de limitação em um arquivo.

import sys
import os
import time

from vcgencmd import Vcgencmd

def main():
    start_time = time.time()
    fb = open("/home/pi/readings.txt","a+")
    fb.write("Elapsed Time (s),Temperature (°C),Clock Speed (MHz),Throttled\n")
    vcgm = Vcgencmd()

    while True:
        temp = vcgm.measure_temp()
        clock = int(vcgm.measure_clock('arm')/1000000)
        throttled = vcgm.get_throttled()['breakdown']['2']
        string = '%.0f,%s,%s,%s\n' % ((time.time() - start_time),temp,clock,throttled)
        print(string, end='')
        fb.write(string)
        time.sleep(1)

if __name__ == '__main__':
    main()

Após executar o script em uma janela do Terminal, podemos abrir outra janela e iniciar um teste de estresse em todos os quatro núcleos usando a ferramenta de linha de comando stress para aplicar uma carga intensa em todos os núcleos da CPU.

sudo apt install stress
stress --cpu 4

Para evitar o superaquecimento, a Raspberry Pi reduz a velocidade do processador quando a temperatura chega a 80°C. Isso é ainda mais acentuado quando a temperatura atinge o máximo de 85°C.

Impacto da ausência de resfriamento na Raspberry Pi 5

O primeiro passo é avaliar o comportamento da Raspberry Pi 5 quando não há nenhum sistema de resfriamento em funcionamento. Sem resfriamento, a CPU da Raspberry Pi 5 chega a 65°C quando está em uma área aberta na bancada do laboratório.

Teste Raspberry Pi 5 sem resfriamento

Para utilização em situações normais, a adição de um sistema de resfriamento é considerada opcional. Se você estiver, por exemplo, assistindo a vídeos no YouTube ou trabalhando em tarefas comuns na área de trabalho, não estará submetendo a CPU ao mesmo nível de estresse verificado durante este teste.

No entanto, sem a implementação de um sistema de resfriamento, a temperatura máxima durante cargas intensas e prolongadas, semelhantes àquelas aplicadas durante este teste, atinge um patamar e permanece estável ligeiramente acima do limite térmico de 85°C. Esse cenário resulta em uma limitação térmica sustentada, uma vez que a temperatura reportada pelo processador ultrapassa os limites preestabelecidos.

Implementando resfriamento ativo: Instalação do cooler ativo

Em seguida, conduzimos o mesmo teste empregando resfriamento ativo com o novo cooler ativo e, posteriormente, mantendo o cooler ativo instalado, mas com o ventilador desconectado. Ambos os testes foram realizados com a Raspberry Pi posicionada em um ambiente aberto na bancada do laboratório.

Cooler ativo na Raspberry Pi 5

O cooler ativo consiste em um dissipador de calor de alumínio anodizado em uma única peça, equipado com um ventilador integrado. Este dispositivo conta com almofadas térmicas pré-aplicadas para transferência eficiente de calor e é fixado diretamente na placa da Raspberry Pi 5 por meio de pinos de pressão de mola.

Sua gestão é ativa por meio do firmware do Raspberry Pi: a 60°C, o ventilador é acionado; a 67,5°C, a velocidade do ventilador é incrementada; e, por fim, a 75°C, o ventilador atinge sua velocidade máxima. Quando a temperatura retorna abaixo desses limites, o ventilador automaticamente reduz sua velocidade.

Teste com cooler ativo na Raspberry Pi 5

Graças ao dissipador de calor passivo, ao utilizar o cooler ativo, observamos uma temperatura ociosa significativamente mais baixa, em torno de 45°C. Durante testes prolongados sob carga, o ventilador do cooler opera em baixa velocidade, estabilizando a temperatura da CPU em 60°C, com máximas de 62 a 63°C registradas durante os testes.

Imagem térmica do teste de resfriamento

Os níveis de ruído situaram-se entre 35 e 40 dB durante o teste de carga, enquanto o ventilador estava em operação – equivalente ao ruído gerado ao virar uma página de um livro. Durante os testes de estresse prolongado, o ventilador nunca precisou operar em velocidade máxima para manter o controle térmico da Raspberry Pi.

Desconectar o ventilador e depender exclusivamente do resfriamento passivo proporcionado pelo dissipador de calor de alumínio resultou em temperaturas ociosas semelhantes; contudo, sob carga prolongada, a temperatura da CPU eventualmente atinge um ponto crítico, por volta de T₀ + 200 segundos, desencadeando a limitação térmica.

Reconectar o cabo faz com que o ventilador gire imediatamente em velocidade máxima, e com a carga removida, a CPU é resfriada de volta a uma temperatura ociosa de cerca de 45°C em mais 300 segundos, com o ventilador diminuindo para velocidades mais baixas à medida que a temperatura retorna ao normal.

Se a intenção é realizar overclock na nova Raspberry Pi 5, o cooler lidará com essa demanda de maneira eficaz. Informações adicionais sobre overclock e underclock da Raspberry Pi 5 podem ser encontradas no post de Jeff Geerling.

Explorando soluções com HAT: Resfriamento adicional

A grande dúvida que muitas pessoas terão neste momento é: o que acontece quando você adiciona um HAT?

Bem, é possível montar um HAT acima do cooler ativo utilizando um conjunto de extensores GPIO de 16 mm. Inevitavelmente, haverá alguma interferência no fluxo de ar, o que resultará em um aumento na temperatura da Raspberry Pi. No entanto, o cooler ativo ainda consegue lidar com testes de estresse prolongados sem apresentar aumentos significativos de temperatura.

Raspberry Pi HAT

Os testes foram realizados com um protótipo do novo HAT M.2, iniciando a Raspberry Pi a partir do disco NVMe. Isso ocorreu tanto porque eu tínhamos um disponível quanto porque essa provavelmente será uma situação de uso bastante comum para o Raspberry Pi 5. Vale ressaltar que a única consideração essencial sobre o protótipo do HAT M.2 é que a versão de produção provavelmente terá uma aparência completamente diferente daquela exibida na imagem acima!

Com o HAT M.2 instalado acima do cooler ativo, a temperatura ociosa da Raspberry Pi foi ligeiramente mais alta do que sem o HAT presente, situando-se em torno de 49°C.

Teste de resfriamento com HAT

Sob carga sustentada, a temperatura da CPU inicialmente atingiu o segundo ponto de gatilho, alcançando 67,5°C, o que acionou o aumento da velocidade do ventilador do cooler de baixa para média. No entanto, essa elevação foi seguida por uma rápida redução na temperatura da CPU abaixo do ponto de gatilho, resultando na diminuição da velocidade do ventilador para a configuração mais baixa. A temperatura da CPU então se estabilizou em aproximadamente 64°C pelo restante do teste sustentado.

Avaliação do desempenho térmico com o novo case e cooler

O próximo item em análise na bancada de testes foi o novo case equipado com cooler. Removemos o cooler ativo da nossa placa e inserimos a Raspberry Pi 5 dentro do novo case. Este novo conjunto é composto por quatro peças: a base que acomoda a Raspberry Pi, seguida por um conjunto de moldura e ventilador, e, por fim, uma tampa que se encaixa na parte superior.

Case Raspberry Pi 5

Assim como o cooler ativo, o conjunto do ventilador é gerenciado de maneira ativa pelo firmware da Raspberry Pi: a 60°C, o ventilador é acionado; a 67,5°C, a velocidade do ventilador é incrementada; e, finalmente, a 75°C, o ventilador atinge sua velocidade máxima. Quando a temperatura retorna abaixo desses limites, o ventilador automaticamente reduz sua velocidade.

Os testes foram conduzidos da mesma maneira que anteriormente, inicialmente com o conjunto de ventilador instalado, mas sem a tampa. Em seguida, novamente com o conjunto de ventilador no lugar, desta vez com a tampa fixada na parte superior.

Ao utilizar o case com cooler, observamos temperaturas ociosas alguns graus superiores em relação ao uso apenas do cooler ativo, situando-se em torno de 48°C. Com a tampa removida, constatamos uma temperatura máxima de aproximadamente 72°C durante cargas sustentadas, e, com a tampa no lugar, verificamos uma temperatura máxima ligeiramente superior, em torno de 74°C sob carga.

É perceptível que, embora a temperatura sob carga seja mais elevada em comparação ao uso exclusivo do cooler ativo, a temperatura máxima ainda permanece consideravelmente abaixo dos limites de 80 e 85°C que indicariam uma possível limitação térmica.

Considerações finais: Insights sobre o resfriamento da Raspberry Pi 5

Para situações usuais, a inclusão de um sistema de resfriamento é considerada opcional, embora o desempenho possa ser aprimorado com a adoção de resfriamento ativo.

Contudo, é importante salientar que cargas contínuas e intensas, como a reconstrução do kernel Linux, podem levar a nova Raspberry Pi 5 a entrar em estado de limitação térmica. Em cenários de cargas pesadas, a limitação térmica pode prolongar os tempos de processamento, e a utilização de resfriamento passivo provavelmente será insuficiente para gerenciar cargas robustas que se estendem além de 200 ou 300 segundos, tornando-se imprescindível o emprego de resfriamento ativo.

Testes de resfriamento da Raspberry Pi 5

Ao ponderar sobre uma solução de resfriamento, é fundamental considerar o tipo de uso que será dado à Raspberry Pi 5 e tomar uma decisão com base nesse contexto, em vez de adicionar resfriamento de maneira arbitrária. Isso se deve ao fato de que, para muitos casos de uso cotidiano, a implementação de resfriamento não será necessária.

É importante enfatizar que o resfriamento, de qualquer natureza, não é mandatório; nenhum dano ocorrerá à sua Raspberry Pi se ele for deixado sem sistema de resfriamento. Mesmo durante períodos de limitação sob cargas intensas, uma Raspberry Pi 5 ainda supera em desempenho um Raspberry Pi 4 sem limitação.


Este post é uma tradução do artigo escrito por Alasdair Allan. O artigo original pode ser encontrado aqui.

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