Pi Case Fan : de qui se moque la fondation Raspberry Pi ?

De nous tous, apparemment
Pi Case Fan : de qui se moque la fondation Raspberry Pi ?

Un an après la sortie de la v4 de son Single Board Computer (SBC), la fondation Raspberry Pi a évoqué ses problèmes de surchauffe... du bout des lèvres. Pourquoi ? Parce qu'elle mettait en vente un système de refroidissement. Mais comme on pouvait le craindre, ce produit n'a que peu d'intérêt.

Lancé en 2006, le projet Raspberry Pi a révolutionné l'informatique grand public. Après six ans de conception et quelques mois de test d'une version alpha, une première carte était mise en vente en 2012. Pour quelques dizaines de dollars, on pouvait se payer un ordinateur (presque) complet exploitant un SoC ARM. Une première. 

L'objectif était à l'époque de fournir un ordinateur basique pour découvrir l'informatique. Une opportunité incroyable pour le monde du libre qui gagnait là un véritable porte-étendard. 8 ans plus tard, plus d'une dizaine de cartes ont été mises sur le marché et les Raspberry Pi sont partout. Plus de 30 millions d'unités ont été vendues. Elles ont donné naissance à des milliers de projets de par le monde, facilitant l'accès au numérique.

Chaque révision est l'occasion d'améliorer caractéristiques et performances. Si la fondation Raspberry Pi propose ses accessoires officiels, elle a toujours travaillé ses produits de manière ouverte, laissant le champ à tout un écosystème, parfois très inventif. Elle assure aussi, en général, une compatibilité d'une génération à l'autre.

Mais avec le Raspberry Pi 4, quelque chose s'est cassé. Le produit a connu de nombreux ratés que l'équipe peine encore à reconnaître ouvertement. Au point même d'annoncer des « patchs » matériels sans aucun sens. La récente annonce du Pi Case Fan en est le parfait exemple. Nous l'avons commandé pour le tester.

Une surchauffe, quelle surchauffe ?

Commençons par revenir sur un point essentiel pour la suite : le SoC du Raspberry Pi 4 chauffe plus qu'il ne peut l'encaisser. Dit plus concrètement : si vous le faites fonctionner à plein régime en laissant la carte à nu, tel qu'elle est vendue, la température dépassera rapidement les 80°C.

La fréquence de fonctionnement sera alors drastiquement réduite, les performances avec. Lors de nos premières analyses en juillet 2019, peu après l'annonce de sa commercialisation, on passait de 1,5 GHz à 600 MHz. Quelques minutes suffisaient à atteindre ce résultat. Un problème qui ne touchait pas ses prédécesseurs.

Mais selon la fondation Raspberry Pi, ce problème... n'existe pas. Quelques mois après la sortie de sa carte, elle avait déjà balayé les critiques d'un revers de main évoquant un nouveau firmware qui venait améliorer la situation et résoudre le problème, selon elle. Au lancement du Pi Case Fan elle y est allée de son billet de blog, y évoquant ses choix de conception et défis, diffusant au passage un graphique :

Rasbperry Pi 4 Chauffe Q3 2020
Officiellement, le Raspberry Pi 4 ne dépasse jamais les 70°C ou presque

Il est clair : malgré une heure de test et une température de départ de 55°C, la carte ne dépasse jamais les 70°C à nu. L'équipe est floue sur les conditions de test, évoquant simplement une pièce maintenue à une température classique, la carte étant utilisée sans refroidissement particulier, pour compiler le noyau Linux. 

Mais soyons clairs : ce graphique est tout sauf représentatif de la réalité d'un Raspberry Pi 4 dont le SoC est très sollicité. Pour s'en convaincre, il suffit d'installer la dernière version de l'OS officiel en date, de la mettre à jour pour disposer des derniers firmwares puis de suivre la fréquence comme nous le faisons avec notre script maison.

Au repos, nous relevons une température plus élevée (47/48°C) dans une pièce à 18°C, ce qui est plutôt dans la tranche basse d'une pièce de vie classique. Si on lance un test OpenSSL sur 2 des quatre cœurs du SoC, on dépasse à peine 60°C, à trois on franchit la barre des 70°C. Mais lorsque tous sont actifs, on est bien loin du graphique obtenu par la fondation. Ce, même si on laisse un temps de pause de 5 secondes entre chaque calcul. 

Nous effectuons cet essai avec la commande suivante :

while true; do openssl speed --multi $(nproc) rsa4096 && sleep 5s; done

Ainsi, notre graphique de température, avec un relevé toutes les deux secondes, ressemble plutôt à ça :

Raspberry Pi 4 Température NuPas plus de 70°C à nu le Raspberry Pi 4 ? Pas vraiment !

Il nous faut ici moins de deux minutes à dépasser les 70°C. Pour les 80°C moins de 9 minutes. Des temps qui seraient réduits si nous ne marquions pas régulièrement des pauses. Sur la fin du test, vous noterez de petites baisses de température, c'est normal : le SoC divise sa fréquence par deux dès que l'on arrive à 82°C. 

Le boîtier officiel n'aurait jamais dû être vendu en l'état

Mais cela, c'est à nu. Or, la fondation Raspberry Pi a mis sur le marché un boîtier officiel à utiliser avec la carte. Ce dernier a été adapté à ce modèle dont la connectique avait évolué par rapport aux modèles précédents. Mais pas à sa montée en température. Et c'est bien le problème, comme nous l'évoquions quelques semaines après sa sortie.

Car si à nu la carte est au minimum à 47/48°C et peut dépasser les 80°C, enfermée dans un boîtier en plastique sans ouverture ni ventilation, c'est pire. Selon nos relevés, toujours à 18°C ambiants, la puce est à 51/52°C au repos et monte à plus de 80°C en un peu plus de trois minutes à pleine charge (avec des pauses de 5 secondes) :

Raspberry Pi 4 Température Boîtier officiel
Avec le boîtier officiel fermé et sans ventilateur, on dépasse les 80°C en trois minutes

Il suffit ainsi de la moindre charge un peu constante pour dépasser cette valeur : plusieurs services qui fonctionnent sans discontinuer, quelques pages dans un navigateur, la lecture d'une vidéo un peu lourde, etc. Il n'y a pas besoin de charger le SoC à plein régime pour qu'il réduise ses fréquences et ses performances assez rapidement.

Ainsi, nous répétons ce que nous avions dit à l'époque : ce produit n'est pas adapté au Raspberry Pi 4 et à son dégagement thermique. Il n'aurait donc jamais dû être vendu en l'état et proposer à minima un système de refroidissement complémentaire, passif ou actif selon les besoins. 

Car oui : il n'y a pas besoin d'un ventilateur pour assurer un bon refroidissement de cette carte. Heureusement, l'écosystème a été là pour le prouver et pallier aux manques de la fondation qui n'est même pas capable d'assumer pleinement ses erreurs pour le moment. Préférant se retrancher vers le fait que les utilisateurs ne vont pas utiliser leur SoC à plein régime, et donc ne pas voir que ce qui leur a été vendu pose un problème « by design ».

Un gros dissipateur suffit, un ventilateur change tout

Le meilleur exemple est un boîtier/dissipateur GeekPi que l'on trouve en général pour un peu moins de 15 euros. Placé sur le Raspberry Pi 4 sans optimisation particulière, il nous a permis d'avoir un SoC qui reste sous la barre des 40°C au repos et qui ne dépasse jamais les 67°C après plusieurs heures de pleine charge.

On est ainsi au-delà des promesses du graphique de la fondation, tout en étant réaliste, sans prendre les clients pour des jambons. Voici nos relevés effectués pendant une demi-heure (ils restent stables ensuite) :

Raspberry Pi 4 Température Dissipateur
Avec un large dissipateur, on ne dépasse jamais les 70°C

L'autre possibilité que nous avons exploré est celle de modifier le boîtier officiel en y perçant un trou. Nous avons ensuite acheté un petit ventilateur (40 x 40 x 10 mm), connecté au 5V du connecteur GPIO et placé en extraction. Là aussi le résultat est sans appel : on ne dépasse même pas les 58°C en pleine charge. Seul problème, le modèle que nous avons utilisé émet un très léger bruit. Il est peu audible, mais cela gênera les adeptes du silence total.

Pi Case Fan : une bonne idée, sur le papier

Un an après la sortie du Raspberry Pi 4, la fondation a donc commencé à reconnaître qu'elle avait un problème avec ce produit. Elle le fait car elle y a intérêt. Dans son modèle vendu sous la forme d'un clavier, elle a en effet utilisé un large dissipateur permettant de contenir la température et même... de pousser le SoC à 1,8 GHz.

Mais pour vanter cette capacité, il faut bien évoquer les limites du produit de départ. C'est aussi ce qu'elle a fait pour le lancement du Pi Case Fan, un kit contenant un dissipateur assez léger, un ventilateur de 18 x 18 x 10 mm et un support permettant de l'adapter au boîtier officiel.

Pi Case Fan Raspberry Pi OS

Un ensemble plutôt bien conçu, vendu 5 dollars (hors frais de port). En effet, la mise en place du support est naturelle, la connexion du ventilateur assez simple. Elle passe par trois broches GPIO : deux pour l'alimentation, une autre pour le contrôle. Par défaut, cela passe par la broche 14, située sous les deux autres.

Raspberry Pi OS vient d'être mis à jour pour adapter l'application de gestion des paramètres officielle. Aucun outil ne semble pour le moment disponible en ligne de commande (cela devrait vite arriver, ne serait-ce que via la communauté). En pratique, elle permet de déclarer la broche de contrôle et la température de déclenchement.

Le fonctionnement de l'ensemble est basique : une fois cette valeur dépassée, le ventilateur s'active, puis s'arrête dès que le SoC est repassé durablement sous la limite. En pleine charge, la température fait donc le yoyo :

Raspberry Pi 4 Température Pi Case Fan
Avec le Pi Case Fan, dès que l'on atteint les 80°C, ça ventile... sec !

Une nuisance plutôt qu'une solution

La fondation dit avoir longtemps cherché la meilleure solution pour le flux d'air. L'idée de petits trous dans la coque aurait été rapidement mise de côté devant son manque d'efficacité. Le cas d'une ouverture plus large, comme nous l'avons fait lors de notre test effectué plus haut, n'a pas été évoqué dans le billet de blog publié à ce sujet.

Il faut dire que l'un des objectifs avoués de ce projet était de ne pas nécessiter de revoir le moule du boîtier ou d'avoir à en concevoir un autre. Deux solutions qui auraient été coûteuses. Une orientation particulière du ventilateur leur a donc été préférée. Elle permettrait un échappement de l'air chaud via les ouvertures naturelles du Raspberry Pi, celles au niveau de sa connectique.

Raspberry Pi 4 Prototype Boîtier RefroidissementRaspberry Pi 4 Prototype Boîtier Refroidissement
Les prototypes qui n'ont pas montré leur efficacité selon la fondation

Surtout, un petit support plastique suffit, réduisant d'autant le coût de production. Et effectivement, c'est efficace puisque comme on le voit sur le graphique ci-dessus, la température baisse assez vite pour que le SoC n'ait pas à réduire sa fréquence, la machine est donc enfin stable avec le boîtier officiel. La fondation n'aura ainsi pas eu à modifier son moule de fabrication ou à en produire un nouveau pour rattraper ses erreurs. 

Tout cela serait parfait s'il n'y avait pas un « oubli » dans la communication bien huilée de l'équipe, ses jolis graphiques, photos et vidéos. Car il manque une donnée essentielle : le niveau de bruit du ventilateur. Il est donné pour un flux d'air de 1,4 CFM, mais sans détails sur les nuisances sonores. On ne l'entend pas non plus dans la vidéo détaillant son montage, on l'on a simplement droit à une musique entraînante.

Pourtant, le bruit change tout. Car dès qu'il se met en route, ce ventilateur est une petite turbine et il n'y a pas de demi-mesure. Sa vitesse de rotation a sans doute été choisie pour assurer la ventilation nécessaire, la réduire reviendrait à réduire son efficacité et donc les efforts de la fondation. Mais la machine émet alors un bruit strident :

Cela n'est pas gênant si le Raspberry Pi est placé au fin fond de votre garage ou dans une baie technique. Mais si vous voulez l'utiliser comme machine de bureau, ce qui est l'un des usages très largement vanté par la fondation, vous aurez sans doute du mal à vous faire à ce bruit strident que vous entendrez dès que le SoC sera trop sollicité.

On comprend d'autant mal les choix faits ici, que des dizaines de solutions et boîtiers existent sur le marché montrent que l'on peut assurer un bon refroidissement du Raspberry Pi 4 de différentes manières, dans un silence total ou presque. Pourquoi diable la fondation a opté pour un accessoire si... nul ?

La fondation Raspberry Pi doit sortir de son déni

Certes, cela reviendrait à avouer qu'elle a fait le mauvais choix avec son boîtier au départ. Mais elle pourrait toujours se retrancher derrière le fait qu'il lui apparait comme adapté pour des besoins légers, tout en proposant une version plus véloce et conforme à l'échauffement du SoC, au moins avec un capot différent.

En agissant de la sorte, après la publication de ses graphiques « optimistes », elle ne fait qu'insulter l'intelligence de ses clients, montrant qu'elle n'hésite pas à leur manquer de respect dans une pareille situation. Et c'est sans doute ce qu'il y a de pire pour un projet et une structure de ce genre, vantant ouverture et transparence. 

D'autant que ce n'est pas une première. Le PoE Hat avait déjà posé des problèmes de conception, nécessitant une révision. Les problèmes du Raspberry Pi 4 allaient d'ailleurs au-delà de son refroidissement, concernant aussi le respect du standard d'alimentation par un connecteur USB Type-C. 

Il n'y a pas à douter qu'à la découverte du fonctionnement du Pi Case Fan, ceux qui l'auront acheté seront déçus et demanderont des comptes à la fondation. Espérons que, cette fois, elle comprenne l'ampleur de ses erreurs et qu'elle finisse par revenir à la raison. Sans quoi, nombreux sont ceux qui commenceront à perdre foi en ses projets.

  • Introduction
  • Une surchauffe, quelle surchauffe ?
  • Le boîtier officiel n'aurait jamais dû être vendu en l'état
  • Un gros dissipateur suffit, un ventilateur change tout
  • Pi Case Fan : une bonne idée, sur le papier
  • Une nuisance plutôt qu'une solution
  • La fondation Raspberry Pi doit sortir de son déni
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