Spis treści:
Nie ulega wątpliwości, że dzisiejszy świat bazuje na miniaturowych jednostkach obliczeniowych. Sercem większości obecnie produkowanych urządzeń są mniej lub bardziej zaawansowane mikroprocesory, które swoją wydajnością przewyższają tysiące razy komputer pokładowy zastosowany w module dowodzenia statku kosmicznego CSM-107 „Columbia”, który wziął udział w misji Apollo 11. Nie zapominajmy też o dzisiejszych smartfonach, których moc obliczeniowa, dzięki postępującej miniaturyzacji jest wręcz niewiarygodna. Postęp nie ominął też komputerów domowych i ciągle rosnącego rynku mikrokomputerów, których doskonałym przykładem może być nowe Raspberry Pi 5, które będzie bohaterem dzisiejszego artykułu.
Mikrokomputery w dzisiejszym świecie
Mikrokomputery, to niepozorne i niewielkie urządzenia, które jak na swój rozmiar dysponują ogromnym potencjałem obliczeniowym i z zewnątrz przypominać mogą wręcz magiczne pudełka. W rzeczywistości jednak nie ma żadnej magii, a konstrukcje tego typu to kompleksowe układy komputerowe zbudowane na niewielkiej płytce drukowanej. Na wyposażeniu każdego mikrokomputera znajduje się procesor, będący zazwyczaj wariacją jednostki o architekturze ARM, pamięć RAM do przechowywania aktualnie wykorzystywanych danych, porty wejścia/wyjścia umożliwiające podłączenie zewnętrznych peryferiów oraz moduł zasilania. Jednym słowem wszystko, co potrzebne jest do działania prostego systemu komputerowego.
W ostatnich latach mikrokomputery przestały być już tylko zabawkami dla hobbystów czy entuzjastów technologii. Sprzęty te znalazły swoje miejsce również w innych obszarach, od edukacji i rozrywki po przemysł i naukę. W edukacji stanowią doskonałe narzędzie do nauki programowania, elektroniki oraz podstaw informatyki. W przemyśle często są wykorzystywane do prostej automatyzacji procesów, kontroli urządzeń, monitorowania środowiska czy też po prostu jako platforma do prototypowania. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o zastosowaniu mikrokomputerów w przemyśle na podstawie przedsiębiorstw Sony Technology Center i SHARP Consumer Electronics Poland, zajrzyj do jednego z moich wcześniejszych materiałów.
Jednymi z najbardziej znanych mikrokomputerów są oczywiście płytki Raspberry Pi. Ich historia sięga 2006 roku, choć pierwszy mikrokomputer sygnowany logiem malinki pojawił się dopiero w 2012 roku. Niewielki rozmiar, niska cena, wszechstronność i wsparcie społeczności sprawiło, że platforma komputerowa Raspberry Pi stała się niezwykle popularna na całym świecie. Od prostych projektów DIY po zaawansowane aplikacje związane z Internetem Rzeczy (IoT). Pojawiające się z biegiem lat, kolejne mikrokomputery Raspberry Pi zredefiniowały w pewien sposób nasze podejście do technologii, umożliwiając każdemu uruchomić nawet niezwykle zaawansowane aplikacje w zaciszu własnego domu. Właśnie dlatego warto jest przyjrzeć się bliżej kolejnej odsłonie RPI (Raspberry Pi) i zastanowić się nad kierunkiem, którym podążają współczesne mikrokomputery.
Mikrokomputer Raspberry Pi 5
Pojawienie się kolejnej wersji płytki Raspberry Pi było lekkim zaskoczeniem, choć już od pewnego czasu w branży technologicznej pojawiały się głosy mówiące, że w niedalekiej przyszłości możemy spodziewać się pojawienia kolejnej malinki. Wszakże od czasu premiery Raspberry Pi 4 minęły już ponad trzy lata.
Przyglądając się nowemu Raspberry Pi z zewnątrz, zauważyć możemy znajome kształty i rozwiązania techniczne podobnie do tych zastosowanych w poprzednich odsłonach tej platformy. Choć nie obyło się też bez kilku zmian, którym przyjrzymy się później. Na ten moment zatrzymajmy się przy aspektach specyfikacji nowego RPI5. Platforma oparta została na układzie SoC (System on Chip) Broadcom BCM2712, w którego wnętrzu projektanci umieścili cztery rdzenie ARM Cortex A76 taktowane zegarem o częstotliwości 2,4GHz. Jest to spory skok, względem zastosowanych w Raspberry Pi 4 rdzeni ARM Cortex A72, których wydajność nawet przy tym samym taktowaniu jest znacznie mniejsza. Ciekawym aspektem nowego procesora jest też pamięć podręczna cech. W poprzedniej generacji Raspberry Pi na pojedynczy rdzeń przypadało 80KB pamięci poziomu L1 oraz 512KB poziomu L2, przy czym wartość ta dzielona była na wszystkie cztery rdzenie procesora. W RPI5 konstruktorzy zdecydowali się zmniejszyć ilość pamięci poziomu L1 do wartości 64KB na rdzeń, zwiększając jednak pozostałą pamięć. BCM2712 może korzystać z 512KB pamięci podręcznej poziomu L2, ale co warto zauważyć, każdy z rdzeni posiada oddzielną strukturę, przez co pamięć nie jest współdzielona. Dopiero dodatkowy bank pamięci L3 o pojemności 2MB jest wspólny dla wszystkich rdzeni procesora. Takie rozwiązanie skutkuje wzrostem wydajności SoC w nowym Raspberry Pi względem poprzednika.
Na uwagę zasługuje również procesor graficzny nowego RPI5, który został dość mocno przeprojektowany. Tym razem otrzymaliśmy 12 rdzeniowy VideoCore VII generacji, mogący działać z częstotliwością 1GHz. Według Raspberry Pi Foundation, takie rozwiązanie pozwala osiągnąć wydajność dwa do dwóch i pół raza większą w porównaniu do zastosowanego w Raspberry Pi 4 układu VI generacji.
Tak jak w przypadku poprzednich konstrukcji, RPI5 dostępne jest w różnych wariantach pojemności pamięci RAM – 1GB, 2GB, 4GB i 8GB. Przy czym chcąc w pełni wykorzystać potencjał drzemiący w nowym mikrokomputerze, warto wybrać wersję 4GB, a najlepiej 8GB. Jak można zauważyć na fotografii powyżej, w Raspberry Pi 5 identyfikacja pojemności pamięci RAM jest znacznie prostsza niż w poprzednim modelu, na laminacie znalazło się nadrukowane oznaczenie, przy którym wlutowany jest rezystor. Dla przykładu rezystor umieszczony przy oznaczeniu 8G oznacza, że jest to RPI wyposażone w 8GB pamięci RAM.
Niezwykle ciekawym elementem nowej rewizji Raspberry Pi jest niepozorny układ scalony oznaczony jak RP1. Większość mocy i wydajności ukryta jest w zastosowanym SoC, czyli BCM2712, który łączy w swoim wnętrzu procesor obliczeniowy i graficzny. Warto jednak wiedzieć, że nie wszystkie peryferia są do niego podłączone, tak jak to miało miejsce w poprzednich generacjach mikrokomputera. Inżynierowie Raspberry zdecydowali się po raz pierwszy wykorzystać chip, który moglibyśmy nazwać mostkiem południowym. Zadaniem RP1 jest wspomóc główną jednostkę obliczeniową, biorąc na siebie zadania związane z obsługą portów USB, Ethernet, I/O oraz złącz kamer i wyświetlaczy. Dzięki takiemu rozwiązaniu po raz pierwszy w RPI otrzymaliśmy dwa uniwersalne porty dedykowane tym peryferiom. Jeśli chcielibyście poznać więcej szczegółów RP1, polecam zajrzeć do dostępnego na kanale YT – Raspberry Pi filmu, w którym poruszona jest tematyka tego chipu.
W nowym Raspberry Pi nie zabrakło również wsparcia dla Bluetooth i WIFI, co nie dziwi, bo standardy te stały się już fundamentem współczesnej technologii. Trudno jest obecnie znaleźć urządzenie, które nie wspierałoby tych bezprzewodowych interfejsów komunikacyjnych. Klasykiem w RPI jest też gniazdo karty microSD, na której przechowywany jest system uruchamiany przez mikrokomputer. Rozwiązanie to jest proste, tanie i sprzyja początkującym adeptom elektroniki lub informatyki, ale niesie za sobą też pewne ograniczenia, o których wspomnę jeszcze na koniec tego materiału.
Raspberry Pi 5 z zewnątrz
Opis nowego Raspberry Pi 5 postanowiłem podzielić na dwie części, w pierwszej przedstawiłem nowy SoC, chip RP1, czy też zagadnienia związane z pamięcią. W drugiej części chciałbym przyjrzeć się nowej płytce z zewnątrz, tym samym porównując ją do wydanego wcześniej RPI4.
Przygodę porównawczą zacznijmy od lewej krawędzi obu konstrukcji, bo już tam możemy zauważyć dość znaczące różnice. Nowością zastosowaną w Raspberry Pi 5 jest złącze PCI Express 2.0, umożliwiające podłączenie do mikrokomputera zewnętrznego dysku SSD. Poza tym pod gniazdem PCIe umieszczony został długo wyczekiwany przycisk pozwalający włączyć i wyłączyć urządzenie. Od teraz chcąc wyłączyć system (jeśli monitor jest niepodłączony) nie trzeba fizycznie odłączać zasilania, wystarczy dwukrotnie wcisnąć miniaturowy przycisk.
Zmiany pojawiły się też przy dolnej krawędzi płytki, poza znanymi już wcześniej gniazdami USB i HDMI pojawiły się tutaj dwa złącza – BAT oraz UART. Pierwsze z nich służy do podłączenia zewnętrznej baterii dla RTC, dzięki której po odłączeniu zasilania, systemowy zegar będzie nadal podtrzymywany. Złącze UART służy do debugowania, innymi słowy jest to wyprowadzone poza uniwersalne piny I/O złącze pozwalające sterować nowym RPI, w przypadku, gdy do płytki nie jest podpięty zewnętrzny monitor lub opcja SSH nie jest aktywna. Poza tym Raspberry Pi 5 posiada też dwa uniwersalne złącza kamery i wyświetlacza, tym samym producent zrezygnował z wcześniejszego rozwiązania dwóch osobnych złącz, dedykowanych pod konkretne akcesorium. Dodatkowo przy dolnej krawędzi znalazło się też przeniesione z góry złącze PoE.
Modyfikacje nie ominęły również największych na płytce RPI złącz. Podobnie jak we wcześniejszej rewizji dostępne są tutaj cztery złącza USB, z czego dwa są zgodne ze standardem 3.0 oraz złącze sieciowe Ethernet. Tym razem jednak wracamy do ułożenia portów znanego z Raspberry Pi 3 B+, czyli port Ethernet umieszczony poniżej złącz USB.
Najmniej zmian względem poprzednika znalazło się przy górnej krawędzi. Umieszczono tutaj uniwersalny port I/O oraz nowość w postaci gniazda dla zewnętrznego wentylatora, poprawiającego chłodzenie Raspberry Pi.
Moc i wydajność
Dla nikogo nie będzie raczej zaskoczeniem, że nowe Raspberry Pi jest wydajniejsze od swojego poprzednika, mimo wszystko pojawienie się na rynku mikrokomputera o gorszych wynikach mocy obliczeniowej byłoby nieco dziwne. Testując nowe RPI5, postanowiłem uruchomić na nim prosty test wydajności – Geekbench 6, który stara się symulować rzeczywiste obciążenie i zadania wykonywane przez potencjalnego użytkownika. Wynikiem testu jest wartość liczbowa odpowiadająca poziomowi wydajności. Test wykonałem również na moim Raspberry Pi 4, a wyniki porównałem do wartości otrzymanych z RPI5. Oba mikrokomputery wyposażone były w 8GB pamięci RAM, a systemy operacyjne zainstalowane były na takich samych kartach pamięci SanDisk Ultra, poza tym obie płytki pozbawione były jakiegokolwiek chłodzenia.
Wyniki testu możecie zobaczyć na wykresie powyżej. Zarówno w konfrontacji jedno, jak i wielordzeniowej zwyciężyło Raspberry Pi 5. Warto też zauważyć, że wydajność pojedynczego rdzenia w RPI5, jest nieznacznie wyższa niż wartość uzyskana przez wszystkie rdzenie SoC poprzedniej generacji. W kilku słowach można powiedzieć, że pod względem mocy obliczeniowej Raspberry Pi 5 radzi sobie znacznie lepiej od swojego poprzednika.
Wzrost wydajności wiąże się też ze wzrostem poboru mocy. Chcąc korzystać z nowego RPI, należy wyposażyć się w naprawdę wydajny i stabilny zasilacz, ponieważ urządzenie potrafi pobierać naprawdę sporo energii. Dedykowane dla nowej wersji mikrokomputera źródło zasilania charakteryzuje się mocą na poziomie 27W (5,1V 5A), niestety zasilacz od starszego Raspberry Pi (5,1V 3A) może tutaj nie wystarczyć.
Raspberry Pi 5 w aplikacjach AI
Co by nie mówić w branży technologicznej prym wiedzie obecnie sztuczna inteligencja i wszelkie związane z nią platformy i aplikacje. Algorytmy AI można uruchamiać na niewielkich mikrokomputerach już od jakiegoś czasu, przykładem całkiem ciekawej platformy dedykowanej sztucznej inteligencji jest Nvidia Jetson Nano, o której miałem już okazję napisać kilka artykułów. Warto jednak wiedzieć, że Raspberry Pi również potrafi uruchomić aplikacje AI, a premiera nowej wersji mikrokomputera to idealny czas, aby przyjrzeć się bliżej wydajności platformy w tego typu zastosowaniach.
Jakiś czas temu na platformie firmy Seeedstudio, którą kojarzyć możecie z produkcji niewielkich modułów elektronicznych dedykowanych dla Arduino i Raspberry Pi pojawił się krótki artykuł autorstwa Elaine Wu, w którym pojawiły się dane porównawcze z testów algorytmów AI na nowym RPI. Całość bazuje na frameworku ncnn, opartym na modelach sieci neuronowej takich jak PyTorch, TensorFlow i ONNX. Testy wykonane zostały na nowym RPI5 w wersji 8GB oraz poprzednim modelu, który także wyposażono w 8GB pamięci RAM.
Podobnie jak w moim teście, tutaj również Raspberry Pi 4 zostało niemal zmiażdżone. RPI5 dominuje zarówno w testach jedno, jak i wielordzeniowych niezależnie od testowanego modelu AI. Co warto zauważyć, tutaj również pojedynczy rdzeń BCM2712 prezentuje lepszy wynik niż ten sam wielordzeniowy test na RPI4.
Ewolucja czy rewolucja?
Bez wątpienia można stwierdzić, że nowe Raspberry Pi 5 to niezwykle ciekawy sprzęt, który mimo wielu zmian i znacznego skoku wydajności jest według mnie idealnym przykładem poprawnie poprowadzonego procesu ewolucji sprzętu. Otrzymaliśmy urządzenie o większej mocy obliczeniowej, z dodatkowymi poprawiającymi aspekt użytkowania nowościami. Według mnie możemy obserwować stopniowy zwrot Raspberry Pi Fundation z rynku typowo hobbystycznego na zastosowania bardziej profesjonalne. Kolejne RPI, nie są już tylko prostymi zabawkami dla entuzjastów technologii, a w pełni funkcjonalnymi urządzeniami, o całkiem sporych możliwościach. W przyszłości prawdopodobnie będziemy światkami, kolejnych innowacji i zmian wprowadzanych przez projektantów Raspberry Pi, tak aby jeszcze bardziej dostosować ten mikrokomputer do zastosowań innych niż domowe. Całkiem możliwe, że w kolejnej wersji RPI, zabraknie miejsca dla karty microSD, którą zastąpi moduł pamięci półprzewodnikowej, ponieważ już teraz w niektórych sytuacjach to właśnie karta pamięci była wąskim gardłem całego mikrokomputera, ograniczając jego wydajność. Jednak jaka by nie była przyszłość, kolejne wersje mikrokomputerów Raspberry Pi będą na pewno ciekawymi urządzeniami.
Źródła:
https://www.raspberrypi.com/products/raspberry-pi-5/
https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/raspberry-pi-5.html
https://www.raspberrypi.com/documentation/microcontrollers/rp1.html
www.youtube.com/watch?v=aioB40BGQYU
https://www.pcmag.com/reviews/raspberry-pi-5
www.youtube.com/watch?v=oo5wb4LDWW4
https://pi-apps.io/install-app/install-geekbench-6-on-raspberry-pi/
www.seeedstudio.com/blog/2023/09/28/raspberry-pi-5-vs-pi-4-ai-performance-cpu-benchmark-how-much-leap-forward/
https://github.com/Tencent/ncnn/tree/master/benchmark
Jedna odpowiedź
Super materiał, ciężko się nie zgodzić, że rzeczywiście fundacja respberry zmierza w bardziej profesjonalną stronę i bardzo dobrze, bo nowe płytki będą dzięki temu ciekawsze