라즈베리파이 공식 홈페이지에 2023년 10월 4일자 Alasdair Allan에 의해 게시된 글입니다.
원문은 아래 링크입니다.
https://www.raspberrypi.com/news/heating-and-cooling-raspberry-pi-5/
번역기 번역이니 감안하고 봐주세요.
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새로운 라즈베리 파이가 출시될 때마다 새 보드의 열 제어에 대한 불평이 있습니다. 사람들은 열관리가 필요한지, 그리고 그렇다면 이를 실현하기 위해 무엇을 해야 하는지 알고 싶어합니다. 이번에 라즈베리파이 5 출시와 함께 냉각을 위한 두 가지 새로운 공식 하드웨어 솔루션을 소개합니다.
(라즈레피아이5용 액티브 쿨러 프로토타입을 보여주는 Eben)
라즈베리파이의 일반적인 사용의 경우 냉각 장치를 추가하는 것이 전적으로 선택 사항입니다. 라즈베리파이4와 라즈베리파이5의 유휴 성능은 거의 동일하며, 일반적인 부하에서 라즈베리파이5는 비슷한 부하의 라즈베리파이4보다 더 낮은 온도로 실행됩니다. 그러나 과도한 지속적인 부하가 걸린 경우 잠재적으로 열 조절에 들어갑니다. 너무 과열되기 시작하면 CPU 속도를 제한하는 소프트웨어가 있기 때문에 속도 조절이 발생합니다. 하지만 완전히 조절된 경우에도 라즈베리파이5는 여전히 라즈베리파이4보다 빠르게 실행됩니다!
데이터를 사용하면 모든 것이 더 좋아지기 때문에 저는 초기 생산 하드웨어를 구입하고 몇 가지 테스트를 실행하여 라즈베리파이5를 냉각해야 하는지 여부를 스스로 결정하는데 도움을 주기로 하였습니다.
CPU 온도 측정 방법
vcgencmd 명령은 라즈베리파이에서 발생하는 일에 대한 놀랍도록 유용한 정보 소스를 제공하며, 파이썬 바인딩(Python binding)은 이러한 모든 정보를 표면화하고 모니터링이 필요한 거의 모든 것을 프로그래밍 방식으로 모니터링할 수 있게 해줍니다. 여기서는 vcgencmd 파이썬 바인딩을 사용하여 현재 CPU 클럭 속도 및 현재 조절 상태와 함께 온도를 모니터링하고 파일에 기록하겠습니다.
터미널 창에서 스크립트를 실행한 후 다른 창을 열고 4개 코어 모두에 대한 부하 테스트를 시작하여 CPU를 로드할 수 있습니다. 이를 위해 스트레스 명령줄 도구를 사용하여 CPU 코어 4개 모두에 과도한 작업 부하를 부과하겠습니다.
https://manpages.debian.org/testing/stress/stress.1.en.html
과열을 방지하기 위해 모든 라즈베리파이 보드는 온도가 80°C에 도달하면 프로세서를 조절하기 시작하고 최대 온도인 85°C에 도달하면 더욱 조절합니다.
No cooling
가장 먼저 해야 할 일은 라즈베리파이5가 별도로 냉각되지 않을 때 어떤 일이 발생하는지 측정하는 것입니다. 냉각 장치가 없는 경우 라즈베리파이5의 CPU 유휴 온도는 실험실 벤치의 야외에 앉아 있을 때 약 65°C입니다.
(초 단위 시간에 대한 프로세서 온도(°C)입니다. T=T₀ 시간에 스트레스 테스트가 시작되었습니다.)
일반적으로 사용할 경우 냉각 기능을 추가하는 것은 선택 사항입니다. YouTube 동영상을 보거나 데스크톱에서 작업하는 경우 이 테스트처럼 CPU에 스트레스를 주지는 않을 것입니다. 하지만 당연히 냉각 기능이 없는 CPU에 가해지는 부하가 클 경우 확장 테스트 동안 최대 온도가 85°C 온도 한계 바로 위까지 올라갔다가 다시 안정적으로 유지됩니다. 이로 인해 프로세서에서 보고한 온도가 조절 한계 이상으로 상승한 후에도 열 조절이 지속됩니다.
Active Cooler 장착
그런 다음 새로운 Active Cooler를 사용하여 관리형 능동 냉각으로 동일한 테스트를 실행하고 다시 Active Cooler는 여전히 장착되어 있지만 팬은 분리된 상태에서 다시 테스트를 실행했습니다. 이 두 테스트는 모두 야외 실험실 벤치에 라즈베리파이를 놓고 수행되었습니다.
(액티브 쿨러가 장착된 라즈베리파이5)
Active Cooler는 FAN이 통합된 일체형 양극 산화 알루미늄 방열판입니다. 열 전달을 위해 사전 적용된 열 패드가 있으며 스프링 장착 푸시 핀을 사용하여 라즈베리파이5 보드에 직접 장착됩니다. 이는 라즈베리파이 펌웨어에 의해 능동적으로 관리됩니다. 60°C에서는 팬이 켜지고, 67.5°C에서는 팬 속도가 증가하며, 마지막으로 75°C에서는 팬이 최대 속도로 증가합니다. 온도가 이 한계 이하로 떨어지면 송풍기 팬의 회전 속도가 자동으로 감소합니다.
패시브 방열판과 액티브 FAN이 장착된 덕분에 유휴 온도가 약 45°C로 훨씬 낮아졌습니다. 부하가 걸린 확장 테스트 중에 CPU 온도를 60°C로 안정화하기 위해 쿨러의 팬이 저속으로 회전하며 테스트 중에 최대 온도는 62~63°C로 나타났습니다.
(부하가 걸린 라즈베리파이5(왼쪽)와 Active Cooler를 사용한 라즈베리아피5(오른쪽) 열화상 사진)
팬이 작동하는 동안 소음 수준은 35~40dB로 측정되었습니다. 이는 책 페이지를 넘기는 정도의 소음입니다. 스트레스 테스트 동안 라즈베리파이의 온도 제어를 유지하기 위해 팬이 실제로 최대 속도로 작동할 필요가 없었습니다.
팬을 보드에 연결하지 않고 알루미늄 방열판만으로 수동 냉각에만 의존했을 때 유휴 온도는 비슷했습니다. 그러나 부하가 가해지게 되면 CPU 온도는 결국 열 조절이 발생하는 약 T₀ + 200초 지점에 도달합니다.
팬 케이블을 다시 연결하면 팬이 즉시 최대 속도로 회전하고, 부하가 제거되면 CPU는 추가 300초 내에 약 45°C의 유휴 온도로 다시 냉각되며 온도가 정상으로 다시 내려가면서 팬이 다시 낮은 속도로 회전합니다.
새로운 라즈베리파이5의 오버클러킹을 고려하고 있다면 Active Cooler가 이에 기꺼이 대처할 것입니다. 라즈베리파이5의 오버클러킹 및 언더클러킹에 대한 자세한 내용은 Jeff Geerling의 게시물에서 확인할 수 있습니다.
https://www.jeffgeerling.com/blog/2023/overclocking-and-underclocking-raspberry-pi-5
HAT는 어떻습니까?
이 시점에서 많은 사람들이 갖게 될 가장 큰 질문은 HAT를 추가하면 어떻게 됩니까?입니다.
16mm GPIO 확장기 세트를 사용하여 Active Cooler 위에 HAT를 장착할 수 있습니다. 필연적으로 공기 흐름이 일부 중단되어 라즈베리파이가 더 뜨거워지지만 Active Cooler는 큰 온도 상승 없이 여전히 확장된 스트레스 테스트를 처리할 수 있습니다.
(액티브 쿨러를 갖춘 라즈베리파이5와 곧 출시될 M.2 HAT의 프로토타입)
테스트는 NVMe 드라이브를 지원하는 새로운 M.2 HAT 프로토타입을 사용하여 수행되었습니다. 이것이 라즈베리파이의 매우 일반적인 사용 사례가 될 것이기 때문입니다. 프로토타입 M.2 HAT에 대해 정말로 기억해야 할 것은 실제 생산 버전이 이 사진에 있는 것과 전혀 다르게 보일 것이라는 것입니다!
액티브 쿨러 위에 M.2 HAT를 장착한 경우 라즈베리파이의 유휴 온도는 HAT가 없을 때보다 약간 더 높은 약 49°C로 나타났습니다.
지속적인 부하에서 CPU 온도는 처음에 두 번째 67.5°C 트리거 지점까지 상승하여 팬을 낮은 속도에서 중간 속도로 회전시켰습니다. 그러나 이로 인해 CPU 온도가 트리거 포인트 아래로 빠르게 떨어졌고, 결과적으로 팬 속도도 더 낮은 설정으로 떨어졌습니다. 그런 다음 나머지 지속 테스트 동안 CPU 온도는 약 64°C에서 안정화되었습니다.
라즈베리파이5 케이스 사용하기
보드에서 Active Cooler를 제거하고 새 케이스 안에 라즈베리파이5를 장착했습니다. 새로운 케이스는 네 가지 구성 요소로 구성됩니다. 라즈베리파이가 고정되는 베이스, 프레임, 팬 어셈블리, 마지막으로 상단에 고정되는 뚜껑입니다.
(새로운 라즈베리파이5 케이스)
Active Cooler와 마찬가지로 팬 어셈블리는 라즈베리파이 펌웨어에 의해 능동적으로 관리됩니다. 60°C에서는 팬이 켜지고 67.5°C에서는 팬 속도가 증가하며 마지막으로 75°C에서는 팬이 최대로 증가합니다. 온도가 아래로 다시 떨어지면 팬이 자동으로 다운 조절됩니다.
테스트는 이전과 동일한 방식으로 수행되었습니다. 먼저 팬 어셈블리를 제자리에 두고 뚜껑을 제거한 상태에서 한번 수행하고 다음에는 뚜껑을 상단에 고정하고 다시 수행합니다.
팬이 포함된 새 케이스를 사용하면 유휴 온도가 액티브 쿨러 자체보다 2도 더 높은 약 48°C로 확인됩니다. 뚜껑을 제거한 상태에서 지속 부하 시 최대 온도는 약 72°C이며, 뚜껑을 닫은 상태에서는 부하 시 최대 온도가 약 74°C로 약간 높습니다.
부하시 온도는 Active Cooler보다 높지만 부하 시 최대 온도는 여전히 80°C 및 85°C 조절 온도보다 훨씬 낮다는 것을 알 수 있습니다.
결론
일반적인 사용의 경우 냉각 추가는 선택 사항이지만 능동 냉각을 추가하면 성능이 향상될 수 있습니다. 그러나 Linux 커널 재구축과 같은 과도한 연속 로드시에는 라즈베리파이5가 열 제한을 받게 됩니다. 부하가 높은 경우 열 조절은 처리 시간을 길어지게 할 수 있으며, 지속 시간이 200초 또는 300초를 초과하는 무거운 부하의 경우 수동 냉각으로는 열 관리가 충분하지 않을 수 있습니다. 열 조절이 발생하지 않도록 하려면 능동 냉각이 필요합니다.
냉각 솔루션을 결정할 때는라즈베리파이5를 어떤 용도로 사용할지 고려해야 하며 단순히 냉각을 추가하기보다는 이를 바탕으로 냉각에 대한 결정해야 합니다. 일상적인 사용 사례가 많은 경우에는 필요로 하지 않기 때문입니다.
모든 유형의 냉각은 필수가 아니며, 냉각되지 않은 상태로 놔둬도 라즈베리파이에 해를 끼치지 않습니다. 그리고 과부하 상태에서 조절하는 동안에도 라즈베리파이5는 조절되지 않은 라즈베리파이4보다 여전히 빠릅니다.
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