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Raspberry Pi bleibt cool: Tipps zur Kühlung des Mini-PCs

30.07.2020 | 13:01 Uhr | David Wolski

Seit dem ersten Modell von 2012 hat der Raspberry Pi eine enorme Leistungssteigerung hin zum aktuellen Raspberry Pi 4 B gesehen. Die neuen Platinen verlangen nach adäquater Kühlung. Der Beitrag zeigt Lösungen per Hardware und Software.

Mit höherer Leistung und höherer Taktfrequenz kommt eine höhere Wärmeabgabe. Dem ersten Raspberry Pi genügte mit einem ARM-Prozessorkern und 700 MHz maximaler Taktfrequenz noch allein die Oberfläche des Chips, um auf vernünftigen Temperaturen zu bleiben. Für die Modelle 2 und 3 sowie übertaktete Platinen reichten aufgeklebte Heatsinks. Beim Raspberry Pi 4 mit vier Kernen und einer Taktfrequenz bis zu 1,5 GHz wird die Wärmeentwicklung aber zu einem Faktor, den es auch im Normalbetrieb im Auge zu behalten gilt.

Nach den Spezifikationen der Raspberry Pi Foundation sollte der Raspberry Pi 4 auch ohne aktive Kühlung passabel laufen – und vor allem bei Überhitzung ab 85 °C keinen Schaden nehmen. Der Cortex-A72-Prozessor ist deshalb darauf ausgelegt, bei zu hoher Wärme automatisch herunterzutakten – von 1,5 GHz auf 1,0 GHz und schließlich auf 700 MHz. Das bedeutet, je kühler die Platine läuft, desto höher bleibt im Dauerbetrieb die Gesamtleistung. Es bedeutet auch, dass es sinnfrei wäre, einen Raspberry Pi mit Undervolting und Underclocking langsamer zu machen, das macht die Platine schon selbst.

Für die Anzeige der aktuellen Temperatur und CPU-Taktfrequenz dient im maßgeschneiderten Raspberry Pi OS (ehemals Raspbian) das Broadcom-Tool vcgencmd. Der Befehl 

sudo vcgencmd measure_temp 

zeigt die Temperatur des Systems an und 

sudo vcgencmd measure_clock arm 

gibt die aktuelle Taktfrequenz der ARM-Kerne in Hertz aus. Stellt man diesen Kommandos jeweils noch ein „watch“ zuvor, dann erhält man alle fünf Sekunden eine aktualisierte Ausgabe.

Raspberry Pi: Jede Menge Einsatzmöglichkeiten

Frische Firmware: Weniger Leistungsaufnahme

Der Raspberry Pi 4 kam mit einer Leistungsaufnahme von 7,28 Watt auf den Markt, während der Raspberry Pi 3 (B+) maximal 5,77 Watt aufnimmt. In der Zwischenzeit sind von der Raspberry Pi Foundation fünf Firmwareupdates erschienen, die eine striktere Energieverwaltung nachrüsten, die Energieaufnahme um 0,8 Watt senken und damit die Wärmeentwicklung zügeln. Der erste Schritt nach der Inbetriebnahme eines Raspberry Pi 4 sollte deshalb immer ein Firmwareupdate sein. Der empfohlene Weg eines Firmwareupdates ist ein Komplettupgrade unter dem offiziellen System Raspberry Pi OS: 

sudo apt-get update 
sudo apt-get full-upgrade

Das Datum der verwendeten Firmware zeigt der Befehl 

sudo vcgencmd version 

an und sollte als Veröffentlichungsdatum nach dem Upgrade den 1. Juni 2020 oder neuer anzeigen.

Passive Kühlung: Stabile Seitenlage 

Nebenbei praktisch als Briefbeschwerer: Passive Kühlkörper funktionieren über ihre thermische Speichermasse und die Oberfläche der Kühlrippen.
Vergrößern Nebenbei praktisch als Briefbeschwerer: Passive Kühlkörper funktionieren über ihre thermische Speichermasse und die Oberfläche der Kühlrippen.

Laut Raspberry Pi Foundation wirkt sich auch eine Aufstellung des Raspberry Pi 4 auf der Seite der Pinleiste vorteilhaft auf die Hitzeabfuhr aus. Nach Messungen mit einer Wärmebildkamera verhindert diese Ausrichtung Hitzestaus am besten und hält die Gesamttemperatur des Systems unter Last bis zu zwei Grad niedriger. Diese Vorgehensweise erscheint für den Dauerbetrieb aber nicht ausreichend, denn bei hoher Last wird der Raspberry Pi 4 dennoch Temperaturen erreichen, die zum Herunterregeln der CPU führen. Die Seitenlage kann daher nur als Übergangslösung helfen, wenn keine anderen Kühlmethoden verfügbar sind.

Leises Zubehör: Geregelte Lüfter 

Kleine kühle Brise: Der recht kleine Lüfter Shim von Pimoroni genügt zur Kühlung der CPU und verfügt über eine Steuerelektronik, die den Lüftermotor per Systemd-Prozess regelt.
Vergrößern Kleine kühle Brise: Der recht kleine Lüfter Shim von Pimoroni genügt zur Kühlung der CPU und verfügt über eine Steuerelektronik, die den Lüftermotor per Systemd-Prozess regelt.
© Pimoroni

Einer der großen Vorzüge des Raspberry Pi und anderen Platinen war stets deren lautloser Betrieb ohne Lüfter. Die üblichen Lüfter von aktiv gekühlten Gehäusen werden einfach an die GIO-Pins gesteckt und laufen dann mit konstanter Drehzahl. Es gibt eine bessere Lösung: Der Lüfter Shim der DIY-Ausrüster von Pimoroni bringt eine Steuerungselektronik auf einer Miniplatine mit, die über die GIO-Pins aufgesteckt wird. Die Drehzahlsteuerung übernimmt dann unter Raspberry Pi OS ein Python-Steuerprogramm, das den Lüfter ab 65 °C einschaltet und auch wieder abschaltet. Der Lüfter von Pimoroni ist im Versandhandel erhältlich . Das Bemerkenswerte dieser Lösung ist, dass alle GIO-Pins zugänglich bleiben und der Lüfter anderen Aufsätzen nicht im Weg ist.

Raspberry Pi 4: Die neuen Features im Überblick

Mehr Metall: Kühlende Gehäuse

Teurer als aktiv belüftete Gehäuse, aber bei richtiger Montage mit Wärmeleitpaste ebenfalls akzeptabel, sind passive Kühler. Diese Lösungen sind lautlos, ein Nachteil ist die Abhängigkeit der Kühlleistung von der Umgebungstemperatur. Offen auf dem Schreibtisch sind passive Kühlbleche genug, aber in einem warmen Serverschrank oder in der Schublade reicht solche Kühlung meist nicht aus, um den Raspberry Pi 4 vor dem Heruntertakten zu bewahren. Da die Aluminiumkühlrippen teils recht massiv ausfallen, ist außerdem der Zugang zur Pinleiste versperrt oder verlangt einen zusätzlichen Riser-Header als Pinverlängerung. Der passive Kühlkörper von Geeekpi ist für rund 15 Euro zu haben  ebenso wie das Konkurrenzprodukt von Pimoroni .

Wichtig ist bei diesen Kühlkörpern, auf die mitgelieferten Wärmeleitpads zu verzichten, denn diese sind schlicht zu dick geraten. Besser ist, wie bei der Montage von CPUs, qualitativ hochwertige und dünn aufgetragene Wärmeleitpaste aus der Tube. Diese Maßnahme macht immer noch einen Unterschied von drei bis fünf Grad aus.

Temperatur und Leistung: Überwachung per App

Den Raspberry Pi im Blick: Mit der App Raspi Check ist es einfach, Temperatur und Frequenz über das Netzwerk zu kontrollieren. Die Abfrage erfolgt über eine SSH-Verbindung.
Vergrößern Den Raspberry Pi im Blick: Mit der App Raspi Check ist es einfach, Temperatur und Frequenz über das Netzwerk zu kontrollieren. Die Abfrage erfolgt über eine SSH-Verbindung.

Um die Temperatur und Taktfrequenz eines Raspberry Pi im Netzwerk auch aus der Ferne im Blick zu behalten, sind Monitoringlösungen für Linux-Server überdimensioniert. Eine App für Android, die sich per SSH mit der Platine verbindet, tut es in vielen Fällen auch: Die Android-App Raspi Check  ist ein unkomplizierter, aber ausführlicher Systemmonitor für alle Raspberry-Pi-Modelle mit Raspberry Pi OS als System. Zusätzlich kann die deutschsprachige App die Platine per SSH auch neu starten oder herunterfahren. Nach der Installation der App öffnet der Menüpunkt „Pi hinzufügen“ rechts oben die Einstellungsseite für die SSH-Login-Daten des Raspberry Pi. Die erste Voraussetzung ist einleuchtend: Auf dem System muss der SSH-Server laufen. Das verwendete Benutzerkonto muss (per sudo) root-Recht haben. Wenn ein Raspberry Pi per Portweiterleitung und dynamischen Domainnamen über das Internet von außen auf dem Port 22 erreichbar ist, dann funktioniert der Check per App natürlich auch von unterwegs aus per SSH. 

Stresstest: Hohe Last auf Kommando

Um die Effektivität von Kühlmethoden zu messen, können Benchmarks den Raspberry Pi bei Bedarf für einen definierten Zeitraum an die Leistungsgrenze bringen. Hierfür hat sich mittlerweile das Tool Sysbench etabliert, zumal es in den Standard-Paketquellen des Raspberry Pi OS verfügbar ist und mittels

sudo apt-get install sysbench 

flott installiert ist. Einen Benchmark aller vier Kerne startet der Befehl 

sysbench --num-threads=4 --test=cpu --cpu-max-prime=200000 --maxtime= 300

run für fünf Minuten und erzeugt dabei hundert Prozent Auslastung.

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