Raspberry Piの動作温度範囲。 試験結果

問題の声明

人気のあるRaspberry Piシングルボードコンピューターは、さまざまな産業用アプリケーションで使用されており[3]、新しいアプリケーションを見つけています。 ネットワークにはシステム性能の評価と比較に関する多くの情報があります [4]が、産業顧客は動作温度の範囲を知りたいです。 メーカーはそのような情報を提供しません。 愛好家が外部要因の影響について実施したテスト[5、6]は、他のいくつかの問題を解決します。



私たちの研究の目的は、Raspberry Piシングルボードコンピューターの動作温度範囲を評価することでした。 Raspberry Pi 3 Model BとRaspberry Pi 2 Model Bをテストしましたが、記事の準備中に、BCM2837プロセッサを搭載したRaspberry Pi 2 Model B V1.2の新しいバージョンが登場し、RPM 2 V1.1とBCM2836プロセッサをテストしました。



MSTUの従業員と学生が実施した調査。 2016年のSovtest ATEでの夏のインターンシップの一環として、RS Components Russiaから委託されたBaumanは、テスト用の無料サンプルを提供しました[13]。

実験条件

Raspberry Pi 3 Model BおよびRaspberry Pi 2 Model Bボードのほとんどのコンポーネントは、-40℃〜+ 85℃の工業用温度範囲を備えています。 -55℃から+ 110℃までの広い温度範囲でボードをテストし、性能の限界を評価することは実用的です。



実験のセットアップを図に示します。 1. Raspberry PiシングルボードコンピューターをTCT-811冷熱室に設置しました。 RPi 2はイーサネット経由でLP-Link TL-WR720Nルーターに接続され、RPi 3はWi-Fi経由で接続されます。 ボードにはUSBアダプターが搭載されていました。 ボードの管理とデータ収集は、オペレーターのコンピューターからのSSHアクセスを通じて行われました。









図1.温度テストの実験的インストールのスキーム



Raspbianは、製造元によって推奨およびサポートされている主なものとして、オペレーティングシステムとして使用されました。 パフォーマンステストは、SysBenchユーティリティを使用して実行されました。SysBenchユーティリティは、高負荷下での作業のシステムパラメータを迅速に評価できる、クロスプラットフォームのマルチスレッドアプリケーションです。 テストデータはボードの内部メモリに記録され、要求に応じてオペレーターのコンピューターにコピーされました。 データキャリアとして、QUMO 32GBクラス10 SDカードが使用されました。

実験の進捗

テストは次のように実行されました。 ボードはカメラに配置され、図の回路に従って接続されました。 1.次に、チャンバー内の温度を変更するアルゴリズムを設定しました。 カメラは、最初に室温+ 23℃から+ 110℃に段階的に温度を上げ、次に室温に急速に冷却し、さらに温度を-50℃に段階的に下げるようにプログラムされました（図2）。 合計で19の測定​​ステップが実行され、10℃のステップ間の温度ステップが行われました（表1）。

テストステージ番号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19
段階の部屋の温度、℃	+23	+30	+40	+50	+60	+70	+80	+90	+100	+110	+106	+27	-20	-25	-30	-35	-40	-45	-50

テストの各段階で、対応する温度が最初にチャンバー内に設定され、次にボードが約6分間この状態でオフ状態に保たれました。 その後、ボードはほぼ同時にオンになり、それぞれでSysbenchテストが開始され、プロセッサーの温度がさらに測定されました。 テストが完了した後、カメラを次の段階に進める前に、ボードの電源を切り、同じ温度で1〜2分間再エージングしました。 ステージ間の温度変化率は約1℃/分でした。









図2.テスト中のチャンバー内の温度変化



Sysbenchテストに合格するための完全な各ステップは、プロセッサテスト、メモリテスト、スレッドテストの3つのモジュールを順番に起動することで構成されていました。 各Sysbenchモジュールの結果は、実行時間を秒単位で決定することでした。 各テストについて詳しく説明しましょう。



プロセッサテスト（--test = cpu） Sysbenchは、64ビット整数を使用して、-cpu -max-primesパラメーターで指定された値までの素数を計算します。 複数のスレッドを指定することも可能ですが、デフォルト値である1つのスレッドを使用しました。



メモリテスト（--test = threads）は、メモリバッファを割り当て、読み取りまたは書き込み操作を実行します。 1回の操作で読み書きされるデータの量は、32ビットまたは64ビットのポインターのサイズによって決まります。 指定されたボリュームが処理されるまでプロセスが繰り返されます（--memory-total-size） 。 スレッド数（--num-threads） 、バッファーサイズ（--memory-block-size）および操作のタイプ（読み取りまたは書き込み--memory-oper = [読み取り|書き込み] ）を設定できます。



スレッドテスト（--test = memory）は、多数の競合するスレッドでプロセッサをチェックします。 テストでは、複数のスレッド（--num-threads）と複数のmutex （--thread-locks）を作成します。 次に、各スレッドは、mutexをブロックし、プロセッサタスクを実行して（実際の作業をシミュレートする）、mutexをロック解除する要求の生成を開始します。 各リクエストに対して、lock-execute-unlockアクションが数回実行されます。その数は--thread-yieldsパラメーターで指定されます。



対応するパラメーターを使用してSysbenchモジュールを開始するためのbashスクリプトの短縮テキストを以下に示します。

{1..5}のカウント

する

sysbench --test = cpu --cpu-max-prime = 1150 run

sysbench --test = memory --memory-block-size = 1M --memory-total-size = 10G run

sysbench --num-threads = 64 --test = threads --thread-yields = 1000 --thread-locks = 8 run

vcgencmd measure_temp

やった

プロセッサーの摂氏温度は、内蔵センサーから取得されました。 組み込みの温度センサーの測定値は、 vcgencmd measure_tempコマンドによって実行されました。

実験結果

Sysbenchテストの結果を図3に示します。各段階で、Sysbenchテストを5回連続して繰り返し、パフォーマンスデータを5回のテストの結果にわたって平均しました。 プロセッサの温度値は、各段階で測定された最大値になります。









図3. Raspberry Pi 3およびRaspberry Pi 2シングルボードコンピューターのSysbenchベンチマーク結果



図3は、3つのテストすべてのパフォーマンスの図がRPi 3とRPi 2の両方でほぼ同じであることを示しています。-35℃から+ 50℃の温度範囲では、RPi 3ボードはRPiの約1.6倍高速に動作します2、これは公式のパフォーマンステストの結果と一致しています[4]。 構成ファイルで指定されたプロセッサの温度しきい値に達すると、デフォルトでは+ 85℃になり、マシンクロックのスキップによる過熱からプロセッサを保護するメカニズム-クロックサイクルの調整または調整 [8]が開始されます。



コンピューターは異なる温度で起動を停止しました：+90℃以上の温度ではRPi 3、+ 106℃以上の温度ではRPi 2。 0℃未満の温度では、両方のボードの性能に変化はありません。 -35℃未満のRPi 3ボードと-45℃未満の温度では、RPi 2ボードは起動しません。 高温でも低温でも、ボードは荷を下ろし、動作温度範囲に戻った後、動作を再開しました。









図4.テストチャンバー内の異なる周囲温度でのRaspberry Pi 3およびRaspberry Pi 2プロセッサーの温度



テストチャンバーの温度値とRPi 2およびRPi 3ボードプロセッサの対応する温度を図4に示します。RPi3プロセッサはRPi 2プロセッサよりも多く加熱するため、環境の+ 50℃でスロットルしきい値温度+ 85℃に達します。 RPi 2は+ 70℃の温度でスロットルを開始します。 したがって、テスト結果では、+ 50℃を超える温度ではRPi 3の性能がRPi 2に劣ることがわかります。 これらの温度では、プロセッサ冷却を使用することをお勧めします[8]。



テストでは、RPi 3ボードが起動し、-35℃から+ 90℃の温度範囲で動作し、RPi 2ボードは-45℃から+ 106℃の範囲で動作しました。 これらの範囲は、使用される電子部品の工業用温度範囲-40〜+ 85℃に近いものです。



私たちの研究は、完全かつ無条件の工学的推奨事項ではありません。 次の条件と状況がその結果に影響しました。 まず第一に、SDメモリーカードは問題を引き起こし、それはしばしば誤動作を引き起こし、それらを再フォーマットし、カードを復元するためにシステムイメージを再記録しなければなりませんでした。 第二に、RPi 2とRPi 3のテスト結果の比較可能性は、ボードと通信するさまざまな方法によって影響を受ける可能性があります。イーサネット経由のRPi 2とWi-Fi経由のRPi 3です。 第三に、テストパラメータは、テスト時間の合計が1営業日の期間に収まるように選択されたため、ボードが温度に長時間さらされても動作するかどうかを判断できません。 第4に、適用された方法論はGOST 28199-89「外部要因への暴露の基本的な試験方法」に基づいて開発されたものの、試験は認証されたセンターでは実施されず、GOSTに厳密に従っていませんでした。 パート2.テスト。 テストA：寒冷”およびGOST 28200-89”外部要因にさらされるための基本的な試験方法。 パート2.テスト。 テストB：乾熱。」



測定および分析結果は、テスト済みのサンプルのみを参照し、メーカーの他の製品に配布することはできません。 テスト結果は、組織の商業的および法的問題における意思決定の基礎となることはできません。 同時に、著者は提示された結果がエンジニアリングコミュニティに役立つことを望んでいます。