Banc d’essai : Raspberry Pi 4 – tout nouveau, tout beau, mais encore au top ?
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Port USB-C et PMIC
La première chose que vous remarquez en prenant en main le Raspberry Pi 4 est qu'il ne s'adaptera à aucun des boîtiers habituels. Certains changements majeurs ont en effet été apportés à la connectique pour l'écran et l'alimentation. Nous avons maintenant un connecteur USB-C pour l'alimentation et deux ports micro-HDMI pour raccorder nos écrans 4K. Nous pouvons donc pour la première fois connecter deux écrans en haute résolution grâce à l’interface numérique et assurer l'alimentation à partir du connecteur universel USB-C.Un nouveau SoC
Pour autant, avant de passer au logiciel et ses améliorations, examinons le matériel de manière un peu plus détaillée.
Autre nouveauté, le processeur graphique VideoCore VI, qui s'offre quelques nouvelles fonctions comme les sorties 4K et le décodage 4K HEVC à 60 i/s. Le SoC ne dispose d’aucun ventilateur ou dissipateur thermique, ce qui fait de la carte une solution élégante et discrète, comme les générations précédentes. Pour voir le résultat en pleine action, vous trouverez plus loin, dans ce banc d'essai, quelques clichés en vision thermique. Ce SoC inédit se signale également par de nouvelles spécifications d'alimentation : au lieu des 5 V et 2 A de base auxquels nous étions habitués (certes, 2,5 A pour le B+), nous avons désormais à notre disposition 5 V @ 3 A sur l’entrée USB-C, ce qui veut dire une puissance généreuse de 15 W à apporter au Raspberry Pi 4. Outre l'unité centrale, quelques circuits intégrés nouveaux font leur apparition sur la carte.
Les photographies montrent de près le PHY Gigabit Ethernet utilisé (type BCM54213PE) et un hub USB, type VLI VL805-Q6. Si vous jetez un coup d'œil à la fiche technique de ce hub USB 3.0, vous remarquerez immédiatement qu'il n'y a pas de liaison montante (uplink) USB 3.0. En revanche, il existe une ligne PCI-Express, compatible PCI-E 2.0 et rétrocompatible PCI-E 1.0. Nous allons donc pouvoir profiter d'une excellente bande passante.
En termes de connexions sans fil, le Bluetooth est passé en version 5.0, et le Wi-Fi en 802.11ac à 2,4 GHz et 5 GHz. Les détails relatifs aux connexions Wi-Fi seront donnés ultérieurement, car nous sommes encore en train d'effectuer des essais de transfert de données.
Hub USB 3.0 avec liaison montante PCI-E
Simple commentaire de mise en garde : ce que vous lisez ici résulte de l'utilisation d'une image alpha pour Raspberry Pi 4, ce qui veut dire que certains éléments peuvent être inopérants ou simplement absents. Il est raisonnable de penser que le logiciel du système sera amélioré au fil du temps exactement comme par le passé avec les Raspberry Pi 2, Raspberry Pi 3 B, Raspberry Pi 3 B+ et Raspberry Pi Zero W.
Raspberry Pi 4 côté logiciel
Nous voici donc aux aspects logiciels du Raspberry Pi 4. Comme il s'agit d'une pré-version bêta, tout ne fonctionne pas complètement, même si le processus de mise à jour de certaines parties du Raspberry Pi 4 est en cours. Nous avons deux possibilités : une image Raspbian Buster ou NOOBS 3.1. À l’essai, l'une et l'autre fonctionnent parfaitement et donnent accès sans problème au Bureau après un démarrage rapide.Double écran 4K
Comme nous disposons dorénavant de deux ports micro-HDMI, nous avons pu connecter deux écrans Full HD au Raspberry Pi 4. Immédiatement après le démarrage, nous avons bénéficié d'un Bureau complet sur l'un et l'autre. Nous avons également testé le petit écran de 10" JOY-iT, disponible dans l’e-choppe, en moniteur secondaire, mais pour le moment, nous n'arrivons pas à le faire fonctionner avec le Raspberry Pi 4. Vous pouvez en principe faire fonctionner deux sorties vidéo 4K à 30 i/s avec deux écrans, ou à 60 i/s avec un seul.Mais que faire avec deux écrans ? Vous pouvez diffuser une vidéo sur l'un tout en naviguant sur le Web avec l'autre, et même jouer à certains jeux 3D. Ce qui nous amène aux fonctions vidéo.
Nous avons effectué le premier test avec VLC et la vidéo Big Buck Bunny sur le Raspberry Pi 4 en résolutions 1080p @ 60 i/s et 4k @ 60 i/s. Pour ce premier test, nous avons utilisé la résolution de 1080p en mode « fenêtré » (windowed). Dans cette configuration, nous n'avons malheureusement plus la reproduction fluide et élégante à laquelle nous étions habitués. Parallèlement, nous avons remarqué une forte charge de l'unité centrale, indiquant que certaines parties des opérations de décodage ne sont pas déléguées par le processeur. Si l'on revient en mode plein écran, la charge de travail de l'unité centrale baisse et la vidéo s'affiche de manière fluide. Avec les deux sorties, nous avons également essayé de visualiser deux vidéos différentes sur les écrans. Malheureusement, VLC s'est obstinément refusé à le faire. Apparemment, le décodeur vidéo ne peut, pour le moment, gérer qu'un seul flux à la fois.
Si vous essayez une vidéo 4K en h.264 avec un moniteur 1080p, VLC ne produit aucune image. Vous n'avez que le son, car la restitution 4K n'est possible qu'en H.265. Pour cette restitution, nous avons utilisé le codec libde265.org. Hélas, VLC ne nous a gratifiés que d'un écran noir. De plus, nous avons constaté une forte charge pour l'unité centrale, ce qui signifie que le décodage n'est pas traité par le matériel comme il devrait l’être. Comme la compatibilité avec le standard 4K est prévue, nous supposons que le pilote contient un bogue et que cet aspect devrait être amélioré dans le futur. Vous vous demandez peut-être si le lecteur OMXPlayer a réussi à faire quelque chose des fichiers ? Eh bien, il a obstinément refusé de décoder quoi que ce soit. Du fait des changements en cours dans les logiciels de décodage vidéo, le matériel n’était tout simplement pas accessible.
Après ce petit test vidéo avec le lecteur VLC, pourquoi ne pas essayer Kodi ? La plupart des images de distributions orientées vidéo n'ayant pas encore encore été mises à jour pour le nouveau matériel, seule une version ancienne des référentiels Raspbian était disponible. Pousser ces tests un peu plus loin n’aurait eu aucun sens, car nous n’avions en réalité aucune accélération vidéo avec Kodi sur le Raspberry Pi 4.
La vie en bleu…
Avec les ports USB 3.0 et une véritable interface Gigabit Ethernet, jetons un coup d'œil aux performances. Grâce à un débit de 1000 Mbits/s, vous pouvez envisager idéalement un débit de données brut de 125 Mo/s, et rêver d'un beau serveur de fichiers NAS à la maison. Pour nos essais, nous avons utilisé SAMBA, probablement l'un des meilleurs outils de partage de données en réseau, et de surcroît compatible avec les trois principaux types de systèmes d'exploitation.
Pour le stockage, nous avons utilisé une clé USB Kingston DataTraveler 100 d’une capacité de 32 Go et le système de fichiers EXT4. Comme deuxième option de stockage, nous avons utilisé un disque RAM, car nous pouvons désormais nous permettre de « dilapider » jusqu'à 1,2 Go. Pour installer le disque RAM, nous avons saisi la commande :
sudo mount -t tmpfs -o size=1200M none /ramdisk
Après avoir configuré Samba (partage de fichiers Windows sur Linux), nous cherchions quelques contenus à copier. Nous avons utilisé les fichiers « bbb_sunflower_1080p_60fps_normal.mp4 » et « bbb_sunflower_2160p_60fps_normal.mp4 »
(http://bbb3d.renderfarming.net/download.html), pour un volume de 1.004.968 Ko, que nous avions déjà sous la main depuis nos essais de restitution vidéo. Nous les avons d'abord copiés sur la clé USB. Nous avons ensuite mesuré le temps nécessaire au Raspberry Pi 4 pour les copier vers le disque RAM à l'aide d'une simple commande « cp ». Ainsi, un disque ne peut pas ralentir le transfert en raison de sa faible vitesse d'écriture.
À l'aide d'un petit script récupérant l'horodatage en début de transfert et un autre à la fin, nous avons obtenu un temps de 9,3 s, soit un débit de 108,05 Mo/s, qui est malheureusement la limite du lecteur Flash que nous utilisions. La copie des fichiers une deuxième fois a révélé une augmentation du débit, car la mémoire RAM supplémentaire, très pratique, joue le rôle d'un cache pour le lecteur. Comparé à la vitesse d'un Raspberry Pi 3 B+, c'est rapide, car avec le port USB 2.0, vous obtenez environ 50 Mo/s maximum. De plus, sur le Raspberry Pi 3 B+, vous partagez la bande passante avec l'interface Ethernet. À propos d’Ethernet, le disque RAM permet de lire à 102 Mo/s en partage de fichiers SMB, ce qui veut dire que nous atteignons pratiquement la vitesse maximale de 1 Gbit/s si l'on considère la charge qu’ajoute le SMB. Concernant les fichiers, nous avons utilisé une machine Windows 10 Pro dotée d'un lecteur SSD comme destination. Notre dernier essai a consisté à effectuer une copie à partir de la clé USB directement connectée. D'expérience, nous savons que nous pouvons lire des données sur cette clé à des vitesses dépassant 100 Mo/s. Pour ce transfert, nous avons obtenu un débit de 98 Mo/s, là encore avec la charge introduite par la clé USB. Pour disposer d’un petit serveur de fichiers à prix optimisé, cela reste correct pour des améliorations que nous attendions depuis longtemps.
Et côté radio ?
Nous avons de nouveau utilisé le disque RAM pour copier des données depuis le Raspberry Pi 4 vers notre machine Windows 10. Cette fois-ci, nous avons déconnecté le réseau local et activé le Wi-Fi, dans la bande 2,4 GHz. Dans cette configuration, le Raspberry Pi 4 fonctionne à 150 Mbits maximum, connecté à notre point d'accès test, sachant que celui-ci peut atteindre 300 Mbits/s. Nous avons choisi une configuration idéale pour le Raspberry Pi 4, avec un point d'accès sans obstacles visuels et une distance inférieure à 10 m. Ce n'est effectivement pas si fréquent dans une configuration réelle, mais c'est la limite pour notre labo. Nous avons ensuite transféré la même quantité de données qu'auparavant (1.004.968 Ko) et mesuré le temps de transfert : 159 secondes. Ce qui nous donne une vitesse de transfert de 6,32 Mo/s. Soit. Mais qu'en est-il de la bande 5 GHz ? Les transferts ne devraient-ils pas être plus rapides ? C'est le cas. Un petit inconvénient cependant : avec la bande 5 GHz, votre point d'accès doit utiliser un canal inférieur à 64, faute de quoi le Raspberry Pi 4 ne le verra pas. Nous avons obtenu une vitesse de transfert de 7,17 Mo/s du fait du débit de 200 Mbits dans l’air offert par le Raspberry Pi 4. Pour du streaming vidéo, c'est acceptable. Mais pour utiliser le Raspberry Pi 4 comme point d’accès, ce ne sera probablement pas suffisant.
Bluetooth ! Oui, il y a une interface Bluetooth, et elle fonctionne comme il se doit avec Linux. Concernant les appareils Bluetooth 5.0, nous n'avons malheureusement pas pu jouer avec, mais dès que nous en aurons un sous la main, nous vous tiendrons informés des résultats.
À quelle vitesse peut fonctionner le processeur ?
Nous disposons désormais d'une fréquence maximale de 1,5 GHz pour cadencer les cœurs, soit 100 MHz de plus que sur le Raspberry Pi 3 B+. Sur le papier, cela représente une augmentation de 7,1%, ce qui peut paraître modeste. Cependant, les cœurs du Raspberry Pi 4 sont désormais de type Cortex-A72. Ils ont été conçus d'abord pour améliorer la puissance par MHz, et en second lieu la puissance par watt. Le calcul montre que le Raspberry Pi 4 est plus puissant que la version 3 B+. Si nous utilisons sysbench avec un cœur, en saisissant la commande :sysbench –test=cpu run
il faut 121,35 s au Raspberry Pi 3 B+. Si nous effectuons le test sur l'un des cœurs Raspberry Pi 4, nous obtenons un temps de traitement de 92,78 s, donc environ 30 % plus rapide que le Raspberry Pi 3 B+ dans les mêmes conditions. Si nous effectuons cette fois-ci ce test sur les deux systèmes avec l'ensemble des cœurs, nous obtenons 34,54 s pour le Raspberry Pi 3 B+ et 23,25 s pour le Raspberry Pi 4, ce qui représente une augmentation considérable à mettre surtout au crédit des nouveaux cœurs.
C'est plutôt une bonne nouvelle concernant la puissance de l'unité centrale, mais elle a un prix : une consommation d'énergie plus élevée. Si vous regardez les images en vision thermique, vous voyez à l'évidence que le Raspberry Pi 4 a tendance à chauffer davantage que le Raspberry Pi 3 B+.
Si vous chargez quelque peu le système avec des logiciels, il risque d'atteindre des températures bien supérieures aux niveaux où l'on peut les négliger. Avec des crêtes à 68 °C et des points de chaleur dépassant 55 °C autour de l'unité centrale, il est évident que le refroidissement opère. L'image du logiciel que nous avions pour nos essais était considérée comme une pré-version et nous espérons qu'elle sera optimisée. Par nature, le processeur Cortex-A72 privilégie la vitesse sur la consommation d'énergie. Nous nous attendions donc à une dissipation considérable, mais pas au degré observé en pratique. Les zones noires qui apparaissent dans l'image thermique correspondent aux boîtiers métalliques de l'unité centrale et du module de communication sans fil. Croyez-moi, ils ne sont pas aussi froids que l'image semble l’indiquer et je doute que, dans la pratique, vous ayez très envie de toucher le boîtier CPU du Raspberry Pi... Le deuxième point chaud apparent dans l'image correspond à la puce électronique du hub USB 3.0, avec lequel je déconseille aussi un contact tactile.
Si l'on compare le nouvelle version et le Raspberry Pi 3 B+ en mode bureau au repos, il est tout à fait évident que le Raspberry Pi 4 n'est pas aussi « cool » que son petit frère quant aux températures. Il sera donc nécessaire d'optimiser la consommation électrique dans les configurations de repos, et nous espérons que des améliorations seront apportées dans ce domaine d'ici la sortie de la version finale. La figure 11 montre les températures au repos d'un Raspberry Pi 3 B+ et d’un Raspberry Pi 4. Le plus « frais », à gauche, est le Raspberry Pi 3 B+ ; celui où apparaissent des zones brillantes et chaudes est le Raspberry Pi 4 (figure 10).
Conséquence : l’implantation de votre carte Raspberry Pi 4 doit être soigneusement pensée. Un recoin sombre et poussiéreux, qui convenait parfaitement pour les précédents modèles, n'est plus vraiment de mise aujourd'hui. Le refroidissement des composants doit être assuré par un bon flux d'air autour de la carte pour éviter toute surchauffe. Si vous examinez la chaleur dissipée par le système, vous pouvez imaginer les quantités importantes d'énergie apportées par l'alimentation.
Il convient donc de connaître la consommation d'énergie du Raspberry Pi 4. Nous avons donc mesuré le courant au repos, avec le test vidéo de référence de l'unité centrale et le jeu SuperTuxKart à une résolution de 720p. Tous ces essais ont été effectués avec un seul écran, et l'image alpha du système Raspbian.
- Avec le Bureau au repos : 2,8 W sous 5 V.
- Avec la vidéo Big Buck Bunny en lecture en 1080p : environ 3 W en plein écran ; et en mode « fenêtré », près de 4 W.
- Avec SuperTuxKart à une résolution de 720p : environ 5 W en course sur circuit.
- Avec Sysbench sur un seul cœur : 3,9 W ; ou 5,2 W avec l’ensemble des cœurs.
La puissance accrue exigée par le système augmente la dissipation de chaleur. Si vous imposez une charge de traitement lourde, prévoyez une circulation d'air permanente dans votre système. De plus, gardez à l'esprit que le port réseau et les ports USB chauffent aussi. Vous devez également considérer que le hub USB absorbera une certaine quantité de courant si vous effectuez des transferts de données par réseau, tout comme les composants réseau et Wi-Fi.
Pour un système restant principalement au repos 24h sur 24, 7 jours sur 7, c'est une consommation de 24,6 kWh par an. Et cela ne s'arrangera pas si vous commencez à accroître la charge dévolue au système. En contrepartie, vous disposez d'une plus grande puissance de calcul même si cela se traduit par la nécessité de mieux gérer les aspects thermiques, en particulier si vous y ajoutez les HAT. Avec la quantité supplémentaire de mémoire RAM disponible, nous pouvons également envisager de faire fonctionner des machines virtuelles sur le Raspberry Pi 4, de disposer de différents serveurs Web, d’un système « courtier » pour messagerie MQTT ou d'un support de stockage de fichiers chiffrés, sans oublier la possibilité de passer rapidement d'un système à un autre... Nous verrons dans le temps si tout cela fonctionne ou non.
VideoCore VI : le retour de la 3D sur le Bureau
un jeu 3D et un navigateur Web dans l’environnement du Bureau.
Ce qui nous a longtemps manqué sur les versions antérieures du Raspberry Pi, c'est la possibilité d'une accélération 3D pour le Bureau. Avec le Raspberry Pi 4 et le pilote de la partie graphique du processeur VideoCore VI, cette fonction est enfin de retour. Celle proposée ici est une accélération 3D en mode « fenêtré », et cela fonctionne parfaitement ! Avec le nouveau cœur, aucun problème pour faire tourner des jeux comme SuperTuxKart, alors que le Raspberry Pi 3 B+ nous imposait de nombreux « bidouillages », et refusait même parfois obstinément de le faire fonctionner.
Le Raspberry Pi 4 permet de lancer le jeu plutôt rapidement. Avec une résolution de 1024×768 et des effets limités au niveau 3, nous avons pu faire quelques tours à 40 i/s en moyenne. Si nous passons à une résolution de 720p, la vitesse de rafraîchissement diminue à 29 i/s en moyenne, même si cela reste jouable – une amélioration manifeste par rapport au Raspberry Pi 3 B+. Vous vous demandez peut-être comment se comporte un émulateur N64 ou PS1. Désolé – et nous le regrettons – nous n'avons pas pu en disposer en temps et en heure pour ce banc d'essai. Dès que ces émulateurs seront prêts, nous présenterons les résultats des tests. Vous pouvez sans doute vous attendre à bénéficier d'une puissance bien plus grande qu'avec la version antérieure.
Connexion des extensions au Raspberry Pi 4
Pour tous ceux qui possèdent déjà une extension Raspberry Pi ou envisagent d’en installer une sur le nouveau nano-ordinateur, nous pressentons cette question incontournable : pourrai-je encore connecter des produits additionnels sur le Raspberry Pi 4 ? Oui, rassurez-vous. En revanche, s'il s'agit d'un écran TFT avec interface HDMI, vous devrez au moins vous procurer un nouveau câble.Les connecteurs et circuits de la caméra et de l'écran sont inchangés par rapport au Raspberry Pi 3 B+, et il en va de même de notre cher connecteur à 40 broches en bordure de carte. Il est possible de connecter les mêmes extensions qu'auparavant, par exemple l'alimentation enfichable StromPi V3. Avec la possibilité d’apporter 3 A de courant, nous pouvons résolument connecter la StromPi par-dessus le Raspberry Pi 4. Le HAT PoE (Power Over Ethernet) trouvera parfaitement sa place également, mais il n'est pas tout à fait adapté car il ne produit que 2,5 A, ce qui est à peine suffisant pour le Raspberry Pi 4. Ce qui veut dire que le HAT PoE peut marcher. Pour autant, comme nous n'avons pas oublié les problèmes rencontrés avec les modèles précédents, nous avons reporté ces expérimentations à plus tard. En revanche, nous avons réalisé, sur la nouvelle carte, le test d'un écran TFT de 3,5”, et le test de l'écran tactile de 7” de la Fondation Raspberry Pi, raccordé au connecteur pour écran.
Le premier essai sur le port d'affichage du Raspberry Pi 4 a échoué : l'écran n'a pas été détecté et rien ne s'est affiché. Nous ne pouvons que supposer que ce problème fera l'objet d'un correctif ultérieur.
De même pour l'écran TFT de 3,5” directement connecté aux différents modèles de Raspberry Pi, car certains éléments du logiciel ont changé. L'écran lui-même est reconnu après la configuration habituelle. Mais si la sortie graphique est redirigée vers l'écran, le Raspberry Pi 4 se bloque au démarrage. Ce problème logiciel peut être résolu, mais ce n'est pas le cas pour l'instant.
Nous n'avons pas non plus connecté de caméra au Raspberry Pi 4, car nous soupçonnions que certains éléments de l'image en pré-version ne fonctionnaient pas correctement. Une fois l'image finale livrée et après quelques jours d'expérimentation, nous approfondirons nos tests pour évaluer le fonctionnement des composants.
Concernant les entrées-sorties, et d'une manière plus générale les interfaces SPI et I²C, tout fonctionne comme prévu, de même que les E/S GPIO, comme nous l'avons constaté suite à un test rapide. Selon les logiciels et bibliothèques utilisés, vos configurations adoptées pour les modèles de Raspberry Pi plus anciens fonctionneront avec le Raspberry Pi 4. Comme le développement se poursuit, d'autres ajustements s'avèreront peut-être nécessaires pour en assurer le fonctionnement.
Conclusion
Nous avons effectué quelques tests de base concernant les performances, la consommation d'énergie et les possibilités de jeux en 3D. Comme nous l'avons mentionné dès le début, nous avions à notre disposition une image bêta pour Raspberry Pi 4, dont la version finale devrait être améliorée. Concernant vos distributions orientées vidéo préférées, par exemple OpenELEC, il faudra un certain temps pour que les améliorations soient incorporées dans le Raspberry Pi 4. Le logiciel n'est pas complet et nécessite un certain nombre de correctifs. Ici encore, cela demandera un peu de temps, mais ces améliorations seront mises en place.Nous avons donc finalement vu arriver ces évolutions tant attendues : plus de vitesse pour les ports USB, le réseau et l’unité centrale, et davantage de mémoire RAM. Tout ceci a évidemment un prix, d'abord en espèces sonnantes et trébuchantes, mais aussi en énergie consommée ! À partir des modèles d'entrée de gamme dotés de 1 Go de RAM à un tarif pratiquement identique au Raspberry Pi 3 B+, le prix augmente en fonction de la quantité de mémoire que vous souhaitez. Parallèlement, la consommation d'énergie et la dissipation thermique progressent aussi. Selon les besoins de votre projet, vous préférerez peut-être les avantages de la mémoire RAM et de la puissance supplémentaires, la possibilité de plusieurs écrans et de la résolution 4K, ou au contraire, l'un des anciens modèles moins gourmands en énergie sur le long terme.
Très franchement, nous avons beaucoup apprécié la capacité supplémentaire en mémoire RAM de la nouvelle bête. De même, l'USB 3.0 rend le transfert de données vers ou depuis le réseau à la fois rapide et facile. Enfin, la possibilité de connecter deux écrans au Raspberry Pi 4, le tout en 4K, permet de faire de votre nano-ordinateur préféré un excellent client léger, un flipper intégralement numérique, un compagnon (de jeu) apprécié dans votre salon, un outil d'expérimentation de la réalité virtuelle, voire même une petite machine pour applications de bureau...
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