Сегодня мы рассмотрим на практике 13 летнюю историю разработки Raspberry Pi. У меня есть экземпляры каждого поколения Pi, от оригинальной модели из 2012 года, до Pi 5, которая вышла чуть больше года назад.
В этой статье мы изучим, что менялось от поколения к поколению, как менялись их производительность и энергопотребление, проведя несколько тестов.
Изменения характеристик в каждой версии
Raspberry Pi 1
Это первая оригинальная Raspberry Pi, выпущенная в феврале 2012 года.
Этот Raspberry Pi оснащен системой на Broadcom BCM2835, которые имеет одно ядро ARM1176JZF-S с тактовой частотой 700 МГц вместе с графическим процессором VideoCore IV, а также 512 МБ оперативной памяти.
С точки зрения подключений, он имеет только 100-мегабитную сеть и 2 порта USB 2.0. Видеовыход поддерживает максимальное разрешение 1080p через HDMI или аналоговое видео через композитный видеовыход, а аудиовыход осуществляет через jack 3.5mm. У него нет встроенных модулей Wi-Fi или Bluetooth, но присутствуют некоторые функции, сохранялись и в более поздних моделях, такие как порты DSI (Display Serial Interface) и CSI (Camera Serial Interface), полноразмерный кард-ридер для SD-карты и контакты GPIO (General Purpose Input/Output), хотя на этапе их всего 26.
Питание подается в эту модель через 5В и 700 мА micro-USB.
Его официальная цена составляла 35 долларов, что на тот момент было невероятно дешево для устройства, представляющего собой, по сути, карманный компьютер.
Raspberry Pi 2
Raspberry Pi вышла спустя 3 года после первой версии, в феврале 2015 года. Эта модель сильно отличалась от оригинала и была более похоже на существующие современные Raspberry Pi.
Процессор в Pi 2 был значительно лучше оригинального, система на базе Broadcom BCM2836 получила 4 ядра Cortex-A7 с тактовой частотой 900 МГц, при этом в ней сохранился тот же графической процессор VideoCore IV. Объем оперативной памяти также был увеличен до 1 ГБ.
К прежнему 100-мегабитному Ethernet порту добавилось еще 2 порта USB 2.0. Разъём для композитного видео был удалён, а аналоговый видеовыход был перенесён в разъём аудиовыхода (3.5 мм).
А также количество контактов GPIO до 40 штырьков, но их расположение осталось неизменным, что помогло поддерживать совместимость с дополнительными модулями (HAT) и аксессуарами. Также слот для карт памяти SD был заменен на слот для карт microSD.
Мощность схемы питания была увеличена до 800 мА из-за размещения более мощного ЦП.
Raspberry Pi 3
Raspberry Pi 3 была запущена спустя год, в феврале 2016 года.
Новая система на кристалле Broadcom BCM2837 в Raspberry Pi 3 сохранил ту же 4-ядерную архитектуру, но ядра были заменены на 64-битные Cortex A53 с тактовой частотой 1.2 ГГц.
Объем оперативной памяти остался на уровне 1 ГБ, но теперь это была память типа DDR2, а не просто DDR.
Подключение USB или Ethernet на оригинальной модели Pi 3 не изменилось, но впервые появились Wi-Fi и Bluetooth. Wi-Fi был однодиапазонным (2.4 ГГц), а Bluetooth имел версию 4.1.
Версия, которая есть у меня, — это фактически 3B+, выпущенная немного позже. Основными улучшениями по сравнению с оригинальным Pi 3 стали увеличение тактовой частоты на 0.2 ГГц, переход на гигабитную сеть с поддержкой PoE (питание через Ethernet) и двухдиапазонный Wi-Fi.
Схема питания снова была улучшена, всё так же работая от 5 В, но теперь с током до 1.34 А, что почти вдвое больше, чем у Pi 2.
Raspberry Pi 4
Следующим был Pi 4 в июне 2019 года. Этот Pi появился в один из худших периодов для мирового производства, и, как известно, его было трудно достать из-за воздействия COVID на глобальную цепочку поставок. По иронии судьбы, именно его у меня больше всего, в основном благодаря моей сборке Pi cluster с водяным охлаждением.
Pi 4 основан на кристалле Broadcom BCM2711 с 4 ядрами Cortex-A72, работающими на частоте 1,5 ГГц. Таким образом, снова произошло увеличение частоты, но при этом сохранилось 4 ядра. Также присутствует улучшение до GPU VideoCore VI.
Эта была первая модель с разными конфигурациями оперативной памяти. Первоначальна она была доступна в вариантах 1, 2 и 4 ГБ ОЗУ типа LPDDR4, а в марте 2020 года в линейку добавили также вариант с 8 ГБ. Это, очевидно, и привело к появлению нескольких разных ценовых категорий, но, что впечатляет, им удалось сохранять предложение около 35 долларов даже спустя 7 лет после выхода первой Pi.
Он сохранил тот же форм-фактор, что и Pi 3, но с поменянными местами портами сети и Ethernet. Примечательно, что два USB-порта были улучшены до стандарта USB 3.0, сетевое подключение стало гигабитным Ethernet (как на 3B+), Wi-Fi стал двухдиапазонным, а также появился Bluetooth 5.0.
А также полноразмерный порт HDMI был заменен на два порта microHDMI. Большинство не любят это изменение, так как пришлось использовать переходники для работы с обычными дисплеями, к тому же эти порты micro HDMI склонны ломаться при частом использовании. Я думаю, что обычные энтузиасты и мастера предпочли бы, чтобы это оставался один полноразмерный порт, но Pi часто используются в коммерческих дисплейных приложениях, так что, полагаю, именно поэтому они выбрали эту конфигурацию с двумя micro HDMI.
А также потребляемый ток был уменьшен с 1.34 до 1.25 А, а порт поменялся на USB-C.
Raspberry Pi 5
В октябре 2023 вышла последняя на данный Raspberry Pi 5.
Этот Pi оснащен SOC Broadcom BCM2712 с 4 ядрами Cortex A76, работающими на значительно более высокой частоте 2,4 ГГц, и графическим процессором VideoCore VII, работающим на частоте 800 МГц.
Таким образом, производительность процессора и графического процессора значительно возросла.
Он предлагается в трех конфигурациях с оперативной памятью, но из-за сокращения предложения на 1 ГБ они больше не доступны по цене 35 долларов. Базовая версия с 2 ГБ оперативной памяти значительно подорожала - до 50 долларов
Среди других заметных изменений - наличие порта PCIe, который позволяет расширить возможности ввода-вывода, и значительно улучшенная схема питания. Порт PCIe довольно часто используется для установки SSD-накопителя NVMe вместо карты microSD для операционной системы.
Схема питания была модернизирована для работы с дополнительным портом PCIe, теперь она поддерживает напряжение до 5 В при потребляемом токе до 5 А, а также впервые появилась кнопка включения.
Был совершен переход на питание 5В и 5А — это слегка раздражало многих, ведь большинство блоков питания с поддержкой Power Delivery обычно дают максимум 2,5 или 3А при 5В. Было бы удобнее, если бы для Raspberry Pi потребовался блок на 9В и 3А — это решило бы проблему совместимости. Наверное, от этого варианта отказались, потому что схемотехника Raspberry рассчитана на 5В и 3,3В, и пришлось бы ставить на плату ещё один DC-DC преобразователь. Это усложнило бы конструкцию, увеличило размеры, стоимость и, возможно, снизило бы эффективность. Но теперь, скорее всего, придётся купить специальный блок питания с USB‑C, сделанный именно для Pi 5.
Кстати, Pi 5 — первая модель, у которой есть отдельный разъём для вентилятора.
Вот, в общем, и все ключевые изменения в железе за все 5 поколений. Теперь давайте включим их и посмотрим, как они работают.
Тестирование производительности
Чтобы сравнить производительность между Pi, я собираюсь провести следующие тесты.
Я собираюсь попытаться воспроизвести видео с YouTube в разрешении 1080P в браузере, хотя я ожидаю, что у нас будут проблемы с этим вплоть до Pi 4.
Затем мы запустим тест процессора Sysbench, который я проведу как для одноядерных, так и для многоядерных процессоров.
Затем мы запустим тест GPU GLMark2.
Затем протестируем скорость хранения данных с помощью сценария James Chambers Pi Benchmark.
Затем мы запустим тест скорости сети iPerf3.
Наконец, мы рассмотрим энергопотребление, как в режиме ожидания, так и при максимальной загрузке процессора.
А затем используем эти данные для определения производительности каждого Pi на ватт.
Чтобы обеспечить консистентность, я собираюсь использовать последнюю доступную версию Pi OS для каждой модели. Я был приятно удивлен, обнаружив, что вы все еще можете прошить образ операционной системы для оригинального Pi в их последней версии Raspberry Pi Imager.
Я буду тестировать их все на 32-гигабайтной карте памяти Sandisk Ultra microSD. Кроме того, на каждой из них я буду использовать кулер Ice Tower, чтобы гарантировать, что они не будут перегреваться.
Проигрывание 1080P видео в YouTube
Я начал с оригинального Pi, и процесс его первой загрузки и настройки стал уроком терпения. У меня ушло почти два часа на то, чтобы завершить первую загрузку, обновить Pi и установить утилиты тестирования, но в конце концов я смог справиться.
Но даже после настройки загрузка рабочего стола занимает около 8 минут, а процессор остается загруженным на 100% в течении 2-3 минут, прежде чем опуститься до 20%.
Оригинальный Pi отказался открывать браузер, на этом мой тест воспроизведения видео с YouTube закончился.
Pi 2 удалось открыть браузер и на самом деле начать воспроизведение видео в разрешении 1080P, что было удивительно, но воспроизведение было ужасным.
Pi 3 воспроизводил видео заметно лучше, чем Pi 2, но до его использования еще далеко, и из-за этого по-прежнему пропускается много кадров.
Pi 4 довольно хорошо справлялся с видео в разрешении 1080P. Сначала были некоторые проблемы и видео слегка лагало, но затем проблемы решились.. Полноэкранный режим также нестабильный, но его можно использовать.
Pi 5 хорошо справлялся с воспроизведением в разрешении 1080P без каких-либо существенных проблем как в окне, так и в полноэкранном режиме.
Sysbench CPU
Следующим был Sysbench. Я провел три теста для каждого из них и усреднил результаты, причем я сделал это как для одноядерного, так и для многоядерного режима.
В single core Pi 1 набрал довольно унылый результат в 68 баллов, Pi 2 набрал чуть более чем вдвое больше этого показателя, но реальный шаг вперед был сделан с Pi 3, который набрал в 18 раз больше, чем Pi 2. Модели Pi 4 и Pi 5 также были значительно улучшены по сравнению с предыдущими поколениями.
Аналогично, в многоядерном процессоре Pi 3 набрал более чем в 18 раз больше баллов, чем Pi2, а Pi 4 и 5 были значительно выше показателей Pi 3.
Сравнивая совокупную производительность многоядерного процессора Pi 5 с возможностями одноядерного процессора Pi 1, можно сказать, что Pi 5 работает чуть более чем в 600 раз быстрее.
GLmark2 GPU
Затем я попробовал запустить на них тесты GPU GLMark2. Я использовал версию GLMark2-es2-wayland, которая разработана для OpenGL ES, чтобы поддерживался Pi 1.
Я был удивлен, что Pi 1 вообще смог запустить GLMark2 – он действительно прошел тест, хотя результат был не таким уж впечатляющим.
Эти результаты действительно показывают, насколько улучшился графический процессор Pi за последние два поколения. До этих тестов я никогда не видел результатов ниже 100, а Pi 1, 2 и 3 не дотягивали до трехзначных значений. Показатель Pi 5 более чем в 2,5 раза превысил показатель Pi 4.
Storage Speed Test / Проверка скорости хранения
После я провел тест скорости хранения данных с использованием сценария James Chambers Pi Benchmarks. За прошедшие годы скорость шины увеличилась с 25 МГц на Pi 1 до 100 МГц на Pi 5, поэтому я ожидаю, что это отразится на результатах тестирования.
Результаты тестов на скорость хранения данных не столь впечатляющи, как результаты тестов на CPU и GPU, но показывают устойчивое улучшение между поколениями. Pi 3 показал себя немного хуже, чем Pi 2, но эта небольшая разница, скорее всего, объясняется просто вариативностью тестов.
iPerf Network Speed Test / Тест сети
Затем я запустил тест скорости сети iPerf для каждого из них.
Pi 1 не дотягивает до своих теоретических 100 Мбит / с, в отличие от Pi 2. Pi 3 B +, хотя и имеет гигабитный Ethernet, он ограничен тем, что работает через USB 2.0, который имеет теоретический максимум в 300 Мбит / с, так что он был довольно близок. Ожидается, что и Pi 4, и Pi 5 приблизятся к теоретическим гигабитным скоростям.
Проверка энергопотребления
Наконец, я проверил энергопотребление каждого Pi без нагрузки и под нагрузкой.
Я использовал один и тот же адаптер питания Pi 5 для тестирования всех Pi, чтобы обеспечить согласованность работы, и я просто использовал адаптер USB C к micro USB для Pi 1, 2 и 3.
Результаты без нагрузки оказались лучше, чем я ожидал. У Pi 2 было самое низкое энергопотребление, а у Pi 5 - самое высокое, но все они отличались друг от друга на один-два ватта. При полной загрузке вы можете видеть, что увеличение мощности процессора приводит к увеличению физической мощности: Pi 5 потребляет почти в три раза больше энергии, чем Pi 1 и Pi 2.
В пересчете на производительность в расчете на ватт с использованием результатов Sysbench мы снова можем увидеть, насколько Pi 4 и 5 лучше, чем Pi 1 и 2. Очевидно, что производительность каждого поколения Pi на ватт мощности, которая, по сути, является его эффективностью, заметно улучшается. Несмотря на то, что Pi 5 потребляет больше энергии, чем Pi 1 при полной нагрузке, он эффективнее почти в 200 раз в пересчете на один вват.
Вывод о бенчмарках и будущих моделях
Мне действительно понравилось работать над этим проектом, чтобы увидеть, насколько сильно Pi изменились за эти годы, особенно с точки зрения производительности. Я до сих пор помню, как был поражен размерами и ценой оригинального Pi, когда он появился, и это здорово, что он по–прежнему полностью поддерживается и по-прежнему может использоваться в проектах, хотя и с меньшей нагрузкой на процессор.
Дайте мне знать, что, по вашему мнению, стало самым большим улучшением в Pi за последние годы и что вы все еще хотели бы видеть добавленным в будущие модели, в разделе комментариев.
Лично мне очень нравится добавление порта PCIe в Pi 5, и я бы хотел, чтобы в будущем поколении Pi была добавлена сеть емкостью 2,5 Гб и DisplayPort или USB C с DisplayPort.
