يادگيري جامع اوركلاك رزبري پاي 4

رزبري پاي ۴ در دسته‌ي كامپيوترهاي كوچك و متخصصدي قرار مي‌گيرد كه تنها با يك برد، نيازهاي پردازشي متخصصان را رفع مي‌كند. محصول جديد رزبري با وفاداري به ساختار و طراحي‌هاي سنتي، امروز در مقايسه با نسل‌هاي قبلي يك غول پردازشي محسوب مي‌شود. اين كامپيوتر با وجود قدرت زيادي كه به‌صورت پيش‌فرض به متخصص ارائه مي‌كند، قابليت اوركلاك و افزايش ظرفيت نيز دارد. فرايندي كه با افزايش سرعت پردازش CPU و GPU ممكن مي‌شود.

اوركلاك كردن كامپيوترهاي حرفه‌اي خصوصا در دسته‌ي گيمينگ، سرگرمي و تخصصي قديمي در دنياي كامپيوتر محسوب مي‌شود. متخصصان اين حوزه با افزايش سرعت عملكردي پردازنده‌ها، كارايي بيشتري را از آن‌ها دريافت مي‌كنند. البته اوركلاك در آن نوع از كامپيوترها به تجهيزات بيشتري در بخش حفاظت و خنك‌كنندگي هم نياز دارد. اوركلاك كامپيوتر تك بردي همچون رزبري پاي ۴ هم مي‌تواند به افزايش كارايي‌هاي آن كمك كند. در ادامه‌ي اين مطلب اخبار تخصصي، علمي، تكنولوژيكي، فناوري مرجع متخصصين ايران راهنماي قدم به قدمي را براي افزايش سرعت پردازنده‌ي گرافيكي و مركزي رزبري پاي ۴ ارائه مي‌كنيم.

اوركلاك كردن كامپيوتر تك برد رزبري پاي برخلاف كامپيوترهاي حرفه‌اي نيازمند تجهيزات زيادي نيست. درواقع متخصص مي‌تواند تنها با تغيير كدهاي يك فايل پيكربندي، سرعت پردازش رزبري پاي خود را افزايش دهد. در مناطقي كه كامپيوتر مذكور با وارانتي ارائه مي‌شود نيز اين فرايند در صورت رعايت محدوديت‌هاي اوركلاك، باعث نقض وارانتي نخواهد شد. 

اولين سخت‌افزار اضافه‌اي كه براي اوركلاك Raspberry Pi 4 نياز داريد، يك منبع تغذيه‌ي باكيفيت است. منابع تغذيه‌اي كه براي راه‌اندازي و استفاده از رزبري پاي در سرعت‌هاي پيش‌فرض استفاده مي‌شوند، لاخبار تخصصيا براي سرعت‌هاي بالاتر متخصصدي نخواهند بود. براي شروع مي‌توان منبع تغذيه‌ي محصول خود شركت رزبري پاي را تهيه كرد. در غير اين صورت بايد منبع تغذيه‌‌اي از يك برند معتبر خريداري كنيد. به‌هرحال در ميانه‌ي فرايند اوركلاك زماني‌كه يك آيكن شبيه به رعدوبرق در گوشه‌ي تصوير نمايش داده شود، به‌معناي نامناسب بودن تغذيه‌ي انرژي دستگاه خواهد بود.

با وجود پايين بودن فشار پردازشي روي قطعات رزبري پاي حتي پس از اوركلاك، نياز به سيستم خنك‌كننده‌ي دائمي قابل اغماض نخواهد بود. البته اگر تنها براي آزمايش و تجربه فرايند اوركلاك انجام مي‌دهيد، نيازي به خنك‌كننده‌ي دائمي نخواهيد داشت. براي نيازهاي اوليه مي‌توان از يك هيت‌سينك ساده استفاده كرد، اما فن هميشه روشن، انتخاب بهتري خواهد بود.

رزبري پاي از سيستم روي تراشه يا SoC به‌عنوان پردازنده استفاده مي‌كند. اكثر فرايندهاي اوركلاك اين كامپيوتر به افزايش سرعت پردازنده‌ي مركزي اختصاص دارند و آزمايش‌ها نيز عموما روي همان انجام مي‌شوند. براي شروع فرايند اوركلاك پردازنده‌ي مركزي، ابتدا بايد علاوه بر خود برد رزبري پاي و لوازم جاني بالا، يك حافظه‌ي microSD با نسخه‌اي از نرم‌فزار NOOBS داشته باشيد. نرم‌افزار نوبز يا New Out Of Box Software بايد از رزبري پاي ۴ همراهي كند. براي اطمينان از دريافت و نصب نسخه‌ي صحيح نرم‌افزار، نسخه‌ي اصلي را از وب‌سايت رسمي رزبري دانلود كنيد.

دليل استفاده از NOOBS به‌‌جاي نرم‌افزار Raspbian ساده است: NOOBS اين قابليت را به متخصص مي‌دهد كه فايل‌هاي پيكربرندي را (حتي در صورت بارگذاري نشدن raspberian) در مسير boot/ ويرايش كند. درواقع اگر اشكالي در فرايندها رخ دهد و رزبري به‌خوبي بوت نشود، تنها با نگه داشتن دكمه‌ي شيفت در فرايند بارگذاري مي‌توان به NOOBS Recovery Mode رفت و فايل‌هاي پيكربندي را ويرايش كرد.

اكثر تنظيمات پيكربندي مورد نياز براي رزبري پاي درون فايلي به‌نام config.txt قرار دارند كه در مسير boot/ قابل مشاهده است. فايل مذكور به‌صورت يك سند استاندارد متني در پوشه قرار دارد و مي‌توان به روش‌هاي گوناگوني آن را باز و ويراش كرد. با دو بار كليك كردن روي فايل در محيط رزبرين مي‌توان فايل را باز كرد، اما امكان ويرايش و ذخيره‌ي تغييرات وجود ندارد. براي ذخيره‌ي تغييرات در فايل نياز به دسترسي‌هاي بيشتر داريد. ترمينال كدنويسي رزبري را با فشار دادن دكمه‌هاي Ctrl+Alt+T باز كرده و دستور زير را وارد كنيد:

sudo nano /boot/config.txt

با وارد كردن كد بالا، فايل در ويرايشگر متني Nano باز مي‌شود و دسترسي‌هاي سطح روت نيز به متخصص داده مي‌شود كه شبيه به حساب متخصصي Administrator در ويندوز خواهد بود. پس از باز شدن فايل به پايين كدها لرويد و بخش [pi4] را پيدا كنيد. در اين بخش تنظيماتي قرار دارند كه تنها در صورت وارد كردن حافظه‌ي مايكرو اس‌دي در رزبري پاي ۴ اجرا مي‌شوند. اگر نسخه‌اي ديگر از رزبري را اوركلاك مي‌كنيد، تنها كافي است به بخش پاييني فايل برويد. در يك خط جديد در بخش [pi4] كد زير را وارد كنيد:

over_voltage=2

arm_freq=1750

اولين خط دستور بالا، ولتاژ ارسالي به SoC را به ميزان ۰/۰۵ ولت افزايش مي‌دهد كه البته مقدار قابل‌توجهي نيست. به‌هرحال بدون افزايش ولتاژ ورودي نمي‌توانيد رزبري پاي خود را با سرعت بالاتر پردازنده بوت كنيد. خط دوم، سرعت پردازنده‌ي رزبري پاي (۴ پردازنده‌ي Arm Cortex-A72) را به ۱۷۵۰ مگاهرتز يا ۱/۷۵ گيگاهرتز مي‌رساند كه ۲۵۰ مگاهرتز بيشتر از تنظيمات كارخانه‌اي (۱/۵ گيگاهرتز) خواهد بود.

درحال‌ حاضر سرعت پردازنده‌ي ۱/۷۵ گيگاهرتز بالاترين حد اوركلاك رزبري پاي ۴ محسوب مي‌شود. البته با ارائه‌ي به‌روزرساني‌هاي جديد براي فرمور كامپيوتر تك بوردي، شايد بتوان سرعت پردازنده‌ي ۲ گيگاهرتز را نيز از آن استخراج كرد. براي ذخيره‌ي تغييرات بالا، از كليدهاي Ctrl+O استفاده كنيد و با Ctrl+X، ويرايشگر Nano را ببنديد. براي بارگذاري با تنظيمات جديد، بايد رزبري پاي خود را مجددا راه‌اندازي كنيد. براي اين منظور دستور زير را در ترمينال بنويسيد:

sudo reboot

اگر همه‌ي شرايط به‌خوبي پيش بروند، رزبري با تنظيمات جديد راه‌اندازي خواهد شد. در غير اين صورت و با بروز هرگونه اشكال، در فرايند بوت دكمه‌ي شيفت را نگه داريد تا وارد حالت بازيابي NOOBS شويد. در آنجا با تغيير دادن تنظيمات بالا (افزايش over_voltage يا كاهش arm_freq) فرايند را تكرار كنيد تا به بارگذاري پايدار برسيد. فراموش نكنيد كه حداكثر تنظيمات براي دستور over_voltage برابر با ۶ است كه به‌معناي افزايش ۰/۱۵ ولتي ولتاژ ورودي خواهد بود. مي‌توان با دستوري همچون force_turbo تنظيمات را باز هم افزايش داد كه البته منجر به از بين رفتن وارانتي دستگاه مي‌شود.

اوركلاك كردن رزبري پاي ۴ تنها به تغييرات جزئي در يك فايل پيكربندي ختم نمي‌شود. اين فرايند تأثير قابل‌توجهي روي كارايي و بازدهي دستگاه هم خواهد داشت. تغييراتي كه در بنچمارك‌هاي پردازنده به‌راحتي قابل مشاهده هستند.

در تصوير بالا بنچمارك Linpack را مي‌بينيم كه در حالت‌هاي Single-Precision يا SP و Double Precision يا DP و NEON كارايي پردازنده‌ي اوركلاك شده را مطالعه مي‌كند. حالت‌هاي SP و DP به‌ترتيب افزايش كارايي ۱۶ و ۱۸ درصد را پس از اوركلاك تجربه كرده‌اند. حالت NEON مبتني بر هسته‌‌هاي آرم نيز بهينه‌سازي ۱۵ درصدي را نشان مي‌دهد.

در آزمايشي ديگر (تصوير بالا) آزمايشي متخصصدي براي فشرده‌سازي فايل انجام مي‌شود تا قدرت پردازش را آزمايش كند. در اين آزمايش، از ابزارهاي bzip2 و lbzip2 استفاده مي‌شود كه به‌صورت تك‌رشته و چندرشته، فرايند فشرده‌سازي را انجام مي‌دهند. پس از اوركلاك، فرايند تك‌رشته افزايش سرعت ۹ درصدي و فرايند چندرشته، افزايش ۷ درصدي را ثبت كرد.

آزمايش بعدي به بنچمارك ويرايش تصوير اختصاص دارد. اين بنچمارك با ابزار متن‌باز و مشهور GIMP طراحي شد و بهبود كارايي با افزايش سرعت پردازنده را نشان مي‌دهد. پس از اوركلاك، فرايند ويرايش در ۳۹/۲ ثانيه انجام شد، درحالي‌كه پيش از آن زمان ۴۷/۳۵ ثانيه ثبت شده بود. با مقايسه‌ي آمارها، متوجه بهينه‌سازي ۱۷/۲ درصدي در وظايف ويرايش تصوير مي‌شويم.

همان‌طور كه تصوير بالا نشان مي‌دهد، با اوركلاك رزبري پاي حتي مرور وب نيز بهتر مي‌شود. بنچمارك Speedometer 2.0 روي رزبري پاي ۴ انجام شد كه پاسخگويي به درخواست‌هاي وب‌ اپليكيشن‌ها را مطالعه مي‌كند. طبق بنچمارك انجام شده، اوركلاك بهبودي ۱۱ درصدي در عملكرد رزبري ايجاد كرد.

آزمايش بالا نشان مي‌دهد كه همه‌ي بخش‌ها لاخبار تخصصيا از افزايش سرعت سود بالايي نمي‌برند. بازي تيراندازي اول شخص OpenArena كه براساس Quake III Arena توسعه يافته است، پس از اوركلاك تنها بهبودي جزئي در نرخ فريم تجربه كرد. اپليكيشن‌هاي اين‌چنيني عموما به سرعت پردازنده‌ي گرافيكي محدود هستند و افزايش سرعت پردازنده متخصصد بالايي براي آن‌ها نخواهد داشت. به‌هرحال براي بهينه‌سازي در اين بخش بايد GPU را اوركلاك كنيم.

اوركلاك كردن پردازنده‌ي گرافيكي رزبري پاي ۴ تفاوت آن‌چناني با اوركلاك CPU ندارد. با استفاده از همان فايل پيكربندي قبلي مي‌توان فرايند اوركلاك پردازنده‌ي گرافيكي را نيز انجام داد. براي شروع فرايند، ترمينال را با كليدهاي Ctrl+Alt+T اجرا كرده و كد زير را تايپ كنيد:

sudo nano /boot/config.txt

مجددا به بخش [pi4] فايل برويد و خط زير را به آن اضافه كنيد:

gpu_freq=600

همان‌طور كه از ساختار دستور بالا برداشت مي‌شود، gpu_freq به سرعت پردازنده‌ي گرافيكي مرتبط است. درواقع اين دستور مشابه دستور arm_frq پردازنده‌ي مركزي عمل مي‌كند. فركانس پيش‌فرض پردازنده‌ي گرافيكي ۵۰۰ مگاهرتز است و افزايش آن به ۶۰۰ مگاهرتز، بهينه‌سازي قابل‌قبولي را به آن مي‌افزايد. درواقع افزايش يك‌پنجم سرعت پردازنده‌ي گرافيكي، با پايين نگه داشتن ريسك، تأثيري هم بر وارانتي دستگاه نخواهد داشت.

افزايش هم‌زمان سرعت پردازنده‌هاي گرافيكي و مركزي، احتمالا براي تنظيمات overvoltage دستگاه بيش‌ از حد باشد. به‌همين دليل در همان فايل به‌دنبال عبارت over_voltage=2 باشيد و آن را به‌صورت زير تغيير دهيد:

over_voltage=4

مانند مراحل قبل، فايل را با كليدهاي Ctrl+O ذخيره كنيد و با كليدهاي Ctrl+X ببنديد. رزبري پاي خود را مجددا راه‌اندازي كنيد. مجددا اگر در فرايند بوت با اشكالي مواجه شديد، با نگه داشتن كليد شيفت به حالت بازيابي برويد و دستورها را تغيير دهيد. افزايش over_voltage به عدد ۶ مي‌تواند اشكال راه‌اندازي را حل كند. تنظيمات بيش از اين مقدار نيازمند فعال بودن حالت force_turbo دارد.

احتمالا در ابتدا تصور مي‌كنيد كه اجراي بنچمارك‌هاي پردازنده‌ي اصلي پس از اوركلاك پردازنده‌ي گرافيكي فرايندي بيهوده خواهد بود. در بنچمارك پردازنده‌ي مركزي هم ديديم كه اجراي آزمايشي همچون OpenArena كه نيازمند پردازنده‌ي گرافيكي بود، تفاوت آن‌چناني نشان نداد. به‌ هر حال در وضعيت برعكس آزمايش‌ها نتايج ديگري را نشان مي‌دهند. درواقع بهبود سرعت GPU در بنچمارك‌هاي CPU هم تأثير دارد.

پردازنده‌ي گرافيكي رزبري پاي كنترل بالايي روي سيستم دارد. درواقع SoC اين كامپيوتر به‌صورت طبيعي براي عملكردهاي رسانه‌اي طراحي شده است كه در دستگاه‌هايي همچون ست‌تاپ باكس استفاده مي‌شود.

بنچمارك Linpack نشان مي‌دهد كه افزايش سرعت GPU در فرايندهاي مبتني بر پردازنده‌ي مركزي هم مؤثر است. كارايي حالت SP در آزمايش دوم هم افزايش داشت و بهبود ۲۰ درصدي را نسبت به نسخه‌ي كارخانه‌ي رزبري پاي ۴ ثبت كرد. درحالي‌كه اوركلاك CPU به‌تنهايي، بهبود كارايي ۱۷ درصدي را نشان داد. بهبود كارايي در حالت DP كمي كمتر گزارش مي‌شود اما آزمايش NEON، افزايش ۲۰ درصدي را نشان مي‌دهد. در آزمايش قبلي و تنها با افزايش سرعت CPU،‌ شاهد بهبود ۱۵ درصدي بوديم.

آزمايش فشرده‌سازي فايل يا عملكرد سيستم در كارهاي روزمره، نشان مي‌دهد كه در برخي از وظايف با اوركلاك شاهد كاهش عملكرد خواهيم بود. بنچمارك تك‌رشته‌اي هيچ تغيير قابل‌توجهي نسبت به اوركلاك CPU به‌تنهايي، نشان مي‌دهد. البته در بنچمارك چندرشته‌اي شاهد كاهش عملكرد سيستم هستيم. زماني‌كه تنها پردازنده‌‌ي مركزي اوركلاك شد، بهبود ۶/۷ درصدي را در عملكرد ديديم، درحالي‌كه با اوركلاك پردازنده‌ي گرافيكي در كنار آن، بهبود كارايي به ۱/۳ درصد كاهش يافت.

نكته‌ي جالب‌توجه بنچمارك پس از اوركلاك پردازنده‌ي گرافيكي، در آزمايش ويرايش تصوير ديده شد. در اوركلاك پردازنده شاهد بهبود ۱۷/۲ درصدي عملكرد بوديم، درحالي‌كه پس از اوركلاك پردازنده‌ي گرافيكي، اين مقدار به ۶/۶ درصد كاهش يافت. درواقع در حالت جديد فرايند ويرايش تصوير سه ثانيه بيشتر زمان برد.

در مباحثه مرور وب، اوركلاك پردازنده‌ي گرافيكي دستاوردهاي بهتري نسبت به آزمايش‌هاي ديگر داشت. بهبود كارايي كه در حالت اوركلاك پردازنده‌ي مركزي ۱۱/۲ درصد ثبت شده بود، با اوركلاك پردازنده‌ي گرافيكي به ۱۲/۴ درصد رسيد. البته افزايش مذكور آن‌چنان زياد نيست، اما نسبت به كاهش عملكردي كه در آزمايش‌هاي ديگر داشتيم، يك پيشرفت محسوب مي‌شود.

اوركلاك پردازنده‌ي گرافيكي قطعا در نتايج آزمايش نرم‌افزارهاي گرافيكي تأثير خود را بيش از بخش‌هاي ديگر نشان مي‌دهد. در بنچمارك گيمينگ OpenArena شاهد بهبود بسيار زياد عملكرد رزبري پاي هستيم. افزايش سرعت پردازنده به ۶۰۰ مگاهرتز از مقدار كارخانه‌اي ۵۰۰ مگاهرتز، نرخ فريم بازي را ۴۱/۴ فريم‌بر‌ثانيه به ۴۸/۲ فريم‌بر‌ثانيه مي‌رساند كه افزايشي ۱۶/۴ درصدي خواهد بود.

رزبري پاي ۴ با تنظيمات پيش‌فرض و كارخانه‌اي دستگاهي قوي محسوب مي‌شود. كامپيوتر جديد رزبري به‌راحتي نسل‌هاي قبلي خود و همچنين رقباي هم‌ارزش را در بسياري از بنچمارك‌ها شكست مي‌دهد. به‌علاوه براي متخصصاني كه كمي قدرت بيشتر نياز دارند، اوركلاك كردن به‌راحتي همان‌طور كه در بالا ديديدم، تنها با تغيير كمي از كدهاي ساختاري دستگاه مي‌توان سرعت پردازنده‌هاي گرافيكي و مركزي را افزايش داد.

مجددا تكرار مي‌‌كنيم كه با وجود تك بردي و كوچك بودن رزبري پاي، خنك‌كنندگي در  فرايند اوركلاك اهميت بالايي دارد. به‌علاوه پيش از نهايي كردن تنظيمات بايد حالت بهينه را براي اوركلاك در انديشه متخصصين داشته باشيد. در نتايج بالا ديديم كه اوركلاك CPU و GPU به‌صورت هم‌زمان در برخي از وظايف موجب كاهش عملكرد سيستم مي‌شود. به‌هرحال ارائه‌ي فريمورهاي جديد از سوي شركت سازنده شايد اين بخش‌ها را نيز بهبود دهد و حتي شاهد افزايش سقف اوركلاك پردازنده‌ي مركزي هم باشيم.