Raspberry Pi: ICE Tower CPU Kühler im Vergleichstest

Als im Juni diesen Jahres der Raspberry Pi 4B erschienen ist, kamen recht schnell erste Berichte auf, welche von Temperaturproblemen mit der neuen CPU, dem BCM2711, berichtet haben. Mittlerweile wurde zwar vieles an der Software optimiert, doch eine Frage bleibt dennoch offen. Lohnt eine CPU-Kühlung für den Raspberry Pi und wenn ja, muss diese aktiv sein oder reicht passiv? Genau diese Frage möchte ich im folgenden klären und habe dafür unter anderem den ICE Tower CPU Cooling Fan für den Raspberry Pi 4B/3B und 3B+ unter die Lupe genommen.

Wir haben bereits in der Vergangenheit aktive sowie passive CPU-Kühler mit dem Raspberry Pi 1, 2 und 3 getestet. Beim Raspberry Pi 1 und 2 hat zumindest eine passive Kühlung kaum einen Vorteil gebracht. Beim höher getaktetem Raspberry Pi 3 haben wir den Test mit einem indirekt auf dem Raspberry Pi sitzendem Lüfter gemacht und konnten hier schon erste Verbesserungen der Kern-Temperatur verzeichnen. Beim neuen Raspberry Pi 4B ist die maximale Taktrate erneut hochgegangen, was Anfangs dazu geführt hat, dass der Raspberry Pi unter Dauerlast schnell die 80 Grad Celsius erreicht hat und anschließend den Takt drosselte. Mit einem darauf folgenden Firmwareupdate hat sich dies ein wenig gebessert. Dennoch sind die 80 Grad Celsius unter Dauerlast in warmen Umgebungen noch immer zu erreichen.

Folglich habe ich deshalb noch einmal einen umfangreichen Test mit unterschiedlichen CPU-Kühlern durchgeführt und diese zwischen Raspberry Pi 3B+ und Raspberry Pi 4B verglichen. Dabei wurden insgesamt fünf Testszenarien abgedeckt:

• Ohne Kühlkörper
• Passiver Kühlkörper (klein)
• ICE Tower CPU Cooling Fan ohne aktiver Belüftung
• ICE Tower CPU Cooling Fan mit aktiver Belüftung bei 3,3 Volt
• ICE Tower CPU Cooling Fan mit aktiver Belüftung bei 5 Volt

Hauptaugenmerk bei diesem Test war es den ICE Tower CPU Cooling Fan im Vergleich zu den herkömmlichen Kühlmethoden zu testen, da der ICE Tower CPU Cooling Fan mit seiner Größe natürlich heraussticht.

Testaufbau

Für den Test habe ich mir Raspbian Buster mit der Desktopumgebung (Veröffentlicht am 26. September 2019) heruntergeladen und auf eine 32 GB Größe Micro-SD Karte geflasht. Anschließend wurden mit sudo apt-get update && sudo apt-get upgrade -ydie Softwarepakete aktualisiert und Sysbench in der Version 0.4.12 (sudo apt-get install sysbench -y) installiert. Zudem habe ich über Raspi-Config die Boot Option so geändert, dass nur noch auf die Kommandozeile gebooted wird. Über ein Anker 24W 2-Port USB Ladegerät wurden anschließend die beiden Raspberry Pis mit Strom versorgt. Die Raumtemperatur betrug über den gesamten Testzeittraum 17-20 °C.

Sysbench

Sysbench dient bei diesem Test hauptsächlich dazu, die CPU über einen längeren Zeitraum auf allen verfügbaren Kernen voll auszulasten. Zusätzlich habe ich die Testergebnisse des Benchmarks mit in diesen Test aufgenommen, da diese ebenfalls durch die verwendeten CPU-Kühler beeinflusst wurde.

Ausgeführt wurde Sysbench mit folgendem Kommando:

sysbench --test=cpu --num-threads=4 --cpu-max-prime=150000 run

Während der Benchmark für knapp 20-28 Minuten durchlief, habe ich parallel jede Sekunde die CPU-Temperatur gemessen. Zuvor wurde ebenfalls die Idle-Temperatur über mehrere Minuten protokolliert.

Testergebnisse

Was auf den ersten Blick direkt auffällt ist, dass der kleine passive Kühlkörper (hier Kupfer genannt) Anfangs kaum einen positiven Effekt hat. Erst gegen Ende des Benchmarks hat sich die Temperatur mit diesem bei circa 64 °C eingependelt wohingegen die CPU ganz ohne Kühlkörper auf 73 °C ansteigt.

Einen großen positiven Effekt bringt der ICE Tower CPU Cooling Fan bereits ohne aktive Belüftung. Mit maximal 53 °C befindet sich die CPU in einem angenehmen Temperaturbereich. Mit aktiver Belüftung des Kühlkörpers schaft es der ICE Tower CPU Cooling Fan sogar die CPU auf durchschnittlich 40 °C (bei 3,3 Volt) bzw. 36 °C (bei 5 Volt) zu kühlen.

Die X-Achse repräsentiert die Dauer des Benchmarks. Dabei fällt auf, dass egal auf welcher Temperatur die CPU Taktet, der Benchmark nahezu immer das gleiche Ergebnis liefert. Zusätzlich hab ich noch die Idle-Temperatur dazu geschrieben.

Testszenario	Benchmark	Idle-Temperatur
Ohne	1175,8834 s	45 °C
Kupfer	1175,6010 s	44 °C
ICE Tower CPU Cooling Fan ohne aktiver Belüftung	1175,7279 s	35 °C
ICE Tower CPU Cooling Fan mit aktiver Belüftung (3,3 Volt)	1175,4379 s	29 °C
ICE Tower CPU Cooling Fan mit aktiver Belüftung (5 Volt)	1175,6401 s	29 °C

Anders schaut es beim Raspberry Pi 3 aus.

Im Grunde ist die Verteilung zwischen den einzelnen Testszenarien identisch zum Raspberry Pi 4B. Der Raspberry Pi 3B+ ohne Kühlkörper ist im selben Temperaturbereich, nämlich im Durchschnitt bei 70 °C, wie mit dem kleinen passiven Kupferkühler. Wohingegen der passiv betriebene ICE Tower CPU Cooling Fan die Temperatur unter der 60 °C Grenze halten kann. Der ICE Tower CPU Cooling Fan mit aktiver Belüftung tendiert zwischen 43 °C (3,3 Volt) und 40 °C (5 Volt). Interessanterweise ist die CPU des Raspberry Pi 4B in meinem Test sogar durchschnittlich Kühler als die des Raspberry 3B+.

Was an dieser Grafik aber ebenfalls auffällt ist, dass die Graphen des ICE Tower CPU Cooling Fan bereits bei Minute 24 enden. Dies liegt daran, dass der Benchmark schon abgeschlossen war. Wohingegen der Raspberry Pi 3B+ zur Durchführung ohne Kühlkörper bzw. mit kleinem passiven Kühlkörper knapp 27,5 Minuten benötigt. Die CPU drosselt also herunter und verringert somit die maximale Leistung.

Hier ebenfalls einmal die genauen Testergebnisse des Benchmarks sowie die Temperatur im Idle.

Testszenario	Benchmark	Idle-Temperatur
Ohne	1660,4655 s	43 °C
Kupfer	1654,5940 s	42 °C
ICE Tower CPU Cooling Fan ohne aktiver Belüftung	1435,2045 s	34 °C
ICE Tower CPU Cooling Fan mit aktiver Belüftung (3,3 Volt)	1437,1909 s	29 °C
ICE Tower CPU Cooling Fan mit aktiver Belüftung (5 Volt)	1438,9075 s	28 °C

Verglichen zum Raspberry Pi 4B benötigt der Raspberry Pi 3B+ knappe 263 Sekunden länger um die Primzahlen bis 150.000 zu berechnen, ohne Kühlung sind es sogar 485 Sekunden. Prozentual bedeutet dies, dass die CPU des 4B zwischen 22% und 41% schneller ist die des Vorgängers.

ICE Tower CPU Cooling Fan

Der ICE Tower CPU Cooling Fan ist in diesem Test klar der Sieger. Er kühlt die CPU mit Abstand am besten herunter und bringt beim Raspberry Pi 3B+ unter Last sogar gleichbleibende Leistung. Ebenfalls lohnt sich dieser beim Raspberry Pi 4B in wärmeren Umgebungen. Meine Testumgebung war relativ kühl und könnte in wärmeren Umgebungen sicherlich auch die CPU des Raspberry Pi 4B ans Limit treiben und letztendlich die CPU runtertakten.

Bauart bedingt passt der große Kühlkörper samt Lüfter sicherlich nicht mehr in die gängigsten Gehäuse herein. Zudem erschwert dieser die Anbindung von Erweiterungsboards, welche sonst direkt auf die GPIOs gesteckt werden. Wird zusätzlich noch der Lüfter in Betrieb genommen, fallen erstmal der 3,3 Volt oder der 5 Volt Anschluss wie auch ein Ground Anschluss weg.

Ansonsten kann der ICE Tower CPU Cooling Fan auch ohne aktiver Kühlung betrieben werden, wie die Messungen gezeigt haben. Der Geräuschpegel bei aktiver Belüftung (5 Volt) hält sich in Grenzen, ein Betrieb im Schlafzimmer ist vorstellbar. Ansonsten kann auf 3,3 Volt gewechselt werden. Dies macht den Lüfter in wenigen Metern Abstand unhörbar.

Fazit

Ohne besondere Kühlung erreicht der Raspberry Pi 3B+ und 4B bei hoher Last sehr schnell einen kritischen Bereich, welcher dazu führen kann, dass die CPU heruntertaktet. Ein kleiner passiver Kühlkörper kann Verbesserungen im einstelligen Bereich bringen. Besser ist hingegen ein großer passiver bzw. sogar aktiver CPU-Kühler. Nicht nur kann die CPU-Temperatur um bis zu 30 °C gesenkt werden, auch behält der Raspberry Pi über längere Zeit seinen Maximaltakt bei. Der ICE Tower CPU Cooling Fan ist hier der ideale Kandidat, wenn Größe und Erreichbarkeit der GPIOs keine so entscheidende Rolle spielen.

Freundlicherweise hat mir Seeed Studio Electronics den ICE Tower CPU Cooling Fan für diesen Vergleichstest zur Verfügung gestellt. Ich habe jedoch kein Geld dafür erhalten und werde meine Meinung hier unverfälscht wiedergeben.

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