Raspberry Pi 4: metingen

Met het uitbrengen van de vierde generatie van de Raspberry Pi vervult de Raspberry Pi Foundation veel wensen van de maker-community. De hardware maakt nieuwe projecten mogelijk, zoals een snellere mini-server of streamingclients voor 4K-video’s. Op enkele punten heeft de Raspberry Pi Foundation toch enkele steekjes laten vallen. En wat de software betreft waren de ontwikkelaars er nog niet helemaal klaar voor.

Het was een complete verrassing, een donderslag bij heldere hemel: bijna uit het niets presenteerde de Raspberry Pi Foundation de Raspberry Pi 4 met een snellere processor, veel meer RAM en krachtigere interfaces zoals USB 3.0 en Gigabit-Ethernet. Daardoor zijn nu in principe veel meer Pi-projecten mogelijk die eerder door het te kleine werkgeheugen, de te trage USB 2.0-aansluiting of ontbrekende decoder voor H.265-(HEVC-)-video nog niet denkbaar waren.

Door een paar slimme beslissingen te nemen, is de prijs van de 1GB-versie van de nieuwe Pi bijna hetzelfde gebleven. Alleen de varianten met 2 en 4 GB RAM zijn duurder – maar altijd nog goedkoper dan de meeste concurrerende minicomputers.

Maar laten we beginnen bij het begin. De belangrijkste chip van de Raspberry Pi komt nog steeds van Broadcom: de BCM2711 bevat vier cpu-kernen van het type ARM Cortex-A72 en een VideoCore-VI-( VC6-)gpu. Met zo ongeveer hetzelfde energieverbruik als zijn voorganger BCM2387B0 levert de BCM2711 merkbaar meer rekenkracht omdat de cpu-kernen iets hoger geklokt zijn (tot 1,5 in plaats van 1,4 GHz) en met Out-of-Order-Execution overweg kunnen.

Bij EEMBC CoreMark haalt het nieuwe model uit de 28-nanometer SoC iets meer dan het dubbele puntenaantal van de voorganger, zowel met een enkele kern als met alle kernen tegelijk. Wanneer alle vier de kernen continue worden belast, schakelt de nieuwe versie beduidend later omlaag en levert dus langer een veel hogere performance. Bij het belasten van één kern werd de klokfrequentie bij onze test ook zonder actieve koeling nooit verlaagd, wat bij de BCM2837B0 nog wel zo was. Een voorzichtig overklokken tot 1750 MHz werkte zonder het recht op garantie te verliezen, maar loont nauwelijks iets.

Bij VideoCore VI staat een sterke 3D-versnelling minder op de voorgrond, maar gaat het meer om een verbeterde video-decoder, en met name de geïntegreerde geheugencontroller die nu tot 4 GB LPDDR4-SDRAM aankan. De data daar naartoe worden duidelijk sneller verstuurd dan bij het voorheen gebruikte LPDDR2-geheugen, maar ook hier zit het geheugen weer vast op de printplaat gesoldeerd en kan het niet verder worden uitgebreid.

In de BCM2711 zit ook een Media Access Controller (MAC) van Broadcom voor Gigabit-Ethernet vast ingebouwd. Die stuurt via de zogeheten PHY-chip BCM54213PE de RJ45-poort aan. Daardoor haalt de Raspberry Pi nu eindelijk de volledige Gigabit-snelheid van ongeveer 100 MB/s. De Raspberry Pi 3B+ met zijn via USB 2.0 verbonden Gigabit-Ethernet-chip haalde op zijn hoogste een derde daarvan. En omdat er op de BCM2711 via PCI Express (PCIe 2.0) ook een USB 3.0-controller is aangesloten, namelijk de VIA Labs VL805, is de Raspberry Pi model 4B ook veel beter geschikt als een kleine netwerkopslag (NAS).

Andere apparaten in je netwerk kunnen van een externe harde schijf of ssd met USB 3.0 die op een Pi is aangesloten de data lezen met een snelheid tot aan 80 MB/s. Als een ssd met LUKS is versleuteld, dan haal je toch altijd nog 60 MB/s.

De hoop dat er een aardige snelheidswinst bij SD-kaarten te halen valt, is helaas vergeefs. Zelfs theoretisch zou er maximaal 50 MB/s haalbaar zijn. De MMC-controller heeft een UHS I-interface en beheerst hooguit de DDR50-modus de maximaal 50 MB/s haalt. In een test hebben we twee verschillende SD-kaarten van SanDisk vergeleken.

Een Mobile Ultra-kaart van 16 GB die al een paar jaar oud is en een nieuwe Extreme Pro, met 64 GB volgens de A2-specificatie. De oudere kaart haalde in de Pi 36 MB/s, de nieuwe kaart ongeveer 40 MB/s. De IOPS, die voor de reactietijd van software relevant is, stegen met de snellere kaart van 1600 naar 2000. Subjectief startte in een directe vergelijking met twee Raspberry Pi 4-modellen de nieuwere kaart minimaal sneller. Als je er mee bezig was, merkten we geen verschil.

De wake-on-lan-functie van de Raspberry Pi 4 werkt overigens nog niet. Het programma Ethtool vermelde weliswaar dat de gebruikte ethernetcontroller wakeon- lan via Magic Packets ondersteunt, maar het lukte niet deze te activeren. Of de functie op den duur zal werken, zullen we moeten afwachten.

In vergelijking met de Raspberry Pi 3 model B+ (rechts) vallen de blauwe USB 3.0-poorten en de nieuwe plek van de ethernetpoort meteen op.

De Raspberry Pi heeft voor zijn stroomtoevoer op 5 volt nu een USB-C-aansluiting in plaats van micro- USB. Je hebt dan ook een voeding met een USB-C-stekker nodig of een simpele adapter. De Raspberry Pi Foundation verkoopt zelf een bijpassende USB-C-voeding die 15 watt kan leveren (5V/3A). Als je geen energievretende usb-apparaten op de usb-poorten hebt aangesloten, moet je de Raspberry Pi 4 ook met een 2,5A-voeding van stroom kunnen voorzien.

Als je de nieuwe Raspberry Pi 4 met een actieve usb-c-kabel wilt gebruiken, hebben we slecht nieuws voor je: kabels met een geïntegreerde controller zoals die bij Apple-voedingen worden meegeleverd, werken niet. Ze selecteren de foute usb-modus. Dat komt door een afwijkende lay-out van de usb-c-poort van de Pi. De Raspberry Pi-foundation heeft de USB-standaard niet overgenomen maar het ontwerp gewijzigd. Er is een weerstand niet geplaatst, waardoor de bedrijfsmodus van usb-c niet volgens de standaard werkt. De wijziging zorgt er voor dat de chip in actieve kabels de Pi als audioapparaat identificeert en daardoor geen stroom levert.

De Raspberry Pi Foundation heeft het probleem erkend en toekomstige versies van het apparaat zullen van een tweede weerstand worden voorzien. Als je de Pi 4 al in huis hebt, hoef je hem echter niet terug te sturen. Een ‘domme’ usb-kabel met een typec- aansluiting en zonder controller maakt het niet uit hoeveel weerstanden er in zitten, en daarmee werkt de Raspberry Pi 4 in ieder geval wel, mits de voeding zwaar genoeg is.

Ook nieuw zijn de twee micro-HDMI-poorten in plaats van één normale HDMI-aansluiting. Ook hier je een adapter voor gebruiken, maar dat raden we niet aan omdat er daar geen twee van naast elkaar passen en die adapters de kleine poorten fysiek aanzienlijk meer belasten dan een kabel met een micro-HDMI- stekker. Maar let op: er bestaat ook mini-HDMI, bijvoorbeeld voor de Raspberry Pi Zero – dus let even goed op dat je niet de verkeerde kabel of adapter koopt. Door de twee micro-HDMI-poorten past de Raspberry Pi 4 model B niet in de behuizing van zijn voorganger(s). Bovendien zit de RJ45-netwerkaansluiting op een andere plek. Er is wel een nieuwe ‘officiële’ behuizing, maar die was op het moment van schrijven nog niet leverbaar. De oude originele behuizingen kun je nog wel gebruiken, maar dan moet je even wat van het plastic aan de zijkant wegknippen en een zijkant helemaal weglaten.

De twee micro-HDMI-poorten kunnen een HDMI 2.0-signaal leveren voor displays met resoluties tot 4K alias Ultra HD (UHD), oftewel met 3840 × 2160 pixels. Een dergelijk scherm kan door de Pi met 60 Hz worden aangestuurd, maar twee tegelijkertijd maar met 30 Hz elk. Dat is op zich voldoende voor 4K-video’s met 24 of 30 fps, maar niet om bijvoorbeeld ergonomisch te werken met een Linux-desktop. Met Full-HD-displays kun je twee schermen op 60 Hz tegelijk aansturen. De VideoCore kan ook 10-bit signalen decoderen en weergeven. Voor elk van de verschillende HDR-implementaties ontbreekt echter nog de software.

Het configuratieprogramma raspi-config heeft er extra opties bijgekregen.

Bij een test met een previewversie van LibreELEC 10 waren met HEVC (H.265) gecodeerde 4K-video’s met 60 beelden per seconde (2160p60) vloeiend te decoderen en op een 4K-display weer te geven – maar tot nu toe slechts met 30 fps. De hardware-decoder voor H.264 (MPEG-4 AVC) werkt slechts tot Full HD (1080p60). Voor de bij YouTube-video’s gangbare VP9-codec is er geen speciale hardware, dan moet je de resolutie reduceren of YouTube met een browser- extensie een H.264- stream laten leveren.

De browser Chromium onder Raspbian kan de videodecoder in de BCM2711 nog niet gebruiken. Bij hoge resoluties hapert het beeld dan ook. Datzelfde geldt voor de videoplayer VLC. Volgens Eben Upton van de Raspberry Pi Foundation kan het voor beide wel eens een tijdje gaan duren voordat ze de HEVC-hardware kunnen gebruiken. De integratieroute is een andere dan bij de de- en encoder voor H.264, daar moet een heleboel code nog nieuw voor geschreven worden.

Net als tijdens de introductie van vorige nieuwe modellen heeft de Raspberry Pi Foundation gelet op een goede compatibiliteit met eerdere modellen, zodat de beschikbare software in ieder geval nog te gebruiken is. Daarom blijft Raspbian in eerste instantie 32-bit. De tegelijk met de Raspberry Pi 4 uitgebrachte besturingssysteemupdate Raspbian Buster is gebaseerd op Debian 10. Die versie kan de potentiële voordelen van de met ARMv8 compatibele Cortex-A72-kernen niet benutten en behandelt die als ARMv7-kernen.

De rekenkracht van de Raspberry Pi 4 blijft nog wel ver achter bij die van de simpele x86-processors als Intels Atom-Celeron N4100, maar hij kost dan ook maar een fractie daarvan. Er wordt door de Foundation op dit moment gewerkt aan een 64-bit kernel, maar het is nog onduidelijk wanneer die klaar is. Andere distributies hebben al langer een 64-bit kernel voor de Raspberry Pi, maar die draaien op dit moment nog niet op de Raspberry Pi 4.

Of de bestaande opsteekmodules (de zogeheten HAT’s) ook nog werken met de Pi 4, hangt in eerste instantie af van hun vorm. Aan de 40 GPIO-pinnen is er fysiek niets veranderd, aan de interne aansluitingen voor camera en display helemaal niets.

Het energieverbruik van de Raspberry Pi 4 model B is absoluut gezien nog erg laag, maar hij verbruikt idle met een Gigabit-ethernetverbinding en een dongle voor een draadloos toetsenbord 3,7 watt. Dat is een hele watt meer dan zijn voorganger. Om dat meerverbruik in het juiste perspectief te zien: veel USB 3.0-sticks verbruiken zelf al meer dan 1 watt, ook als ze alleen maar in de usb-poort zitten niks te doen. In de soft-offmodus heeft de Pi 4 genoeg aan 0,3 watt, terwijl zijn voorganger daar het drievoudige voor nodig had.

Onder belasting, maar zonder monitor, is het maximale energieverbruik van 6,1 watt niet noemenswaardig meer dan bij de 3B+, die na een update naar Raspbian Buster 5,8 watt verbruikt. Bij een continue duurbelasting met bijvoorbeeld een OpenSSL-versleuteling op alle cpu-kernen tegelijk, worden die kernen binnen een paar minuten wel warmer dan 80 graden Celsius, maar dan verlaagt de chip zijn klokfrequentie in stappen. Het tijdstip waarop dat gebeurt duurt echter wezenlijk langer dan bij de Raspberry Pi 3B+.

Er zijn echter gebruikers die gemeld hebben dat de nieuwe Pi nogal heet wordt. In een online video spreken de ontwikkelaars van de Rasberry Pi Foundation hierover. Ze zijn op zoek gegaan naar mogelijkheden om deze problemen te verhelpen door processen te pauzeren op moment dat er nieuwe programma’s geladen worden, waarvoor de processor even hard aan het werk gaat en hij heet wordt. Het probleem is om daar een ideale mix in te vinden, want wanneer het systeem te heet wordt, gaat het ook weer de rekenkracht reduceren om oververhitting te voorkomen.

Voor de Raspberry Pi 4 heb je wel een nieuwe behuizing nodig. Door de nieuwe poorten zullen oude behuizingen niet meer passen.

Met Gigabit-ethernet en de twee USB 3.0-poorten is de Pi 4 duidelijk beter geschikt voor een mini-server dan zijn voorganger. Door de Gigabit-poort heeft de Pi 4 beschikking over de volle snelheid van ongeveer 925 Mbit/s. Hij kan met een standaard Broadcom-driver in Linux respectievelijk Raspbian gebruikt worden. De Raspberry Pi 4 kan zijn stroom ook krijgen via Power- over-Ethernet (PoE), maar daar heb je nog wel een extra module voor nodig.

De Raspberry Pi is alleen in bepaalde gevallen geschikt als vervanging voor een complete NAS. Usb-schijven en extra hubs verbruiken vaak namelijk al meer energie dan de Pi zelf. Dat geldt met name voor externe schijven in 3,5”-formaat, die vaak makkelijk meer dan 10 watt nodig hebben. Als je meerdere terabytes aan opslagruimte in je netwerk wilt hebben, heb je dan meer aan een ‘echte’ NAS.

De wifichip van de Raspberry Pi 4B is net als bij zijn voorganger een Cypress CYW43455 met 802.11ac. Die is ook nu via SDIO met de BCM2711 verbonden, maar beschikt inmiddels ook over Bluetooth 5.0. SDIO is een variant van de interface voor sd-kaarten, maar dan voor I/O-componenten. Die werkt bijzonder energiezuinig.

Met de enige, op de printplaat geïntegreerde antenne (1 stream, dus 1 × 1) is de CYW43455 geen snelheidsmonster, maar hij haalt altijd nog 85 Mbit/s, wat omgerekend netto op zo’n 8 MB/s komt. Die overdrachtssnelheid is voor veel projecten voldoende, en ook geschikt voor videostreaming tot een resolutie van Full HD.

Op de 5GHz-band neemt de snelheid afhankelijk van de oriëntatie van de antenne, die op zich weer afhangt van de positie van de gehele Raspberry Pi, op een afstand van 20 meter duidelijk af.

De keerzijde van het plotselinge verschijnen van de Raspberry Pi 4 was dat de softwareontwikkelaars nog behoorlijk achterliepen met de ontwikkeling van geschikte software. Er waren maar weinig gelukkigen die een previewexemplaar van de Raspberry Pi 4 hadden ontvangen, waaronder de ontwikkelaars van bekende projecten zoals LibreELEC of RetroPie. Maar ook zij hadden niet genoeg tijd om bij de start van de verkoop al software te leveren.

Het snelste is het LibreELEC- project verschenen. Op hun website is een image van de Kodi-distributie te downloaden die aangepast is aan de nieuwe Raspberry Pi. Volgens de ontwikkelaars is dit weliswaar nog een alfaversie van de software, maar bij onze korte test werkte het prima. Ook de hardware-decoder voor HEVC draait al. 4K-materiaal dat in HEVC is gecodeerd draait prettig soepel en zonder noemenswaardige belasting voor de processor.

Van het RetroPie-project was op moment van schrijven net een update voor de Raspberry Pi 4 verschenen, maar we hadden nog geen tijd om deze te testen. De opensource graphicsdriver van de Raspberry Pi 4 zorgde er eerder nog voor dat de grafische front-end EmulationStation crashte, waardoor het niet mogelijk was om games te starten. Ook zorgden kleine wijzigingen in het bootgedrag dat de ControlBlock en Power- Block add-on-boards niet zomaar werkten. Voor beide borden zijn er nu firmware-updates verschenen die ervoor zorgen dat alles nu wel naar behoren functioneert.

Als je emulators op de Raspbian Buster wilt gebruiken, vind je in diens repository’s de pakketten retroarch en meerdere die met libretro beginnen. De libretro-pakketten bevatten de RetroArch-cores, dus de eigenlijke emulators voor PlayStation 1, (S)NES en verschillende Nintendo-handhelds. Vergeleken met de RetroPie is het aantal platforms wel erg karig.

Er is inmiddels ook een stable versie van Lakka verschenen, de distributie die bij RetroArch hoort, die op de Raspberry Pi 4 draait.

Uit een korte test konden we concluderen dat de Raspberry Pi 4 twee keer zo goed presteerde als zijn voorganger. Met name bepaalde PlayStation-games zoals Tekken of Ridge Racer draaiden met een constantere snelheid waardoor ze prettiger te spelen waren. Op de Pi 3 B+ haperde de framerate regelmatig.

De nieuwe versie van Raspbian is gebaseerd op Debian 10 Buster.

Enkele ontwikkelaars waren niet meteen gelukkig met de nieuwe Pi. Red-Hat-ontwikkelaar Peter Robinson zei dat de toen actuele versie 30 van Fedora de Pi niet zou ondersteunen. Pas in Fedora 31, die op moment van schrijven nog moet verschijnen, zal misschien basale ondersteuning worden geïntroduceerd. De hoofdreden is het gebrek aan support van de officiële Linux-kernel. De nieuwe functies zoals gigabit-ethernet en usb 3.0 vormen geen probleem, omdat deze op bekende elementen zijn gebaseerd.

Uit kernel-ontwikkelaarskringen hebben we vernomen dat er geen support is voor fundamentele onderdelen zoals de PCI-Express controllers en DMA. De ontwikkeling wordt bemoeilijkt door het feit dat er nog geen documentatie is voor de gebruikte SoC. Verwacht wordt dat de vereiste support er pas zal zijn wanneer Linux 5.4 verschijnt. Onder omstandigheden zou het zelfs nog langer kunnen duren.

Fans van docker zullen alleen via een omweg gelukkig worden met de Raspberry Pi 4. De versie van de container- runtime Containerd werkt namelijk niet. De docker-daemon draait weliswaar, maar als een container wordt gestart, mislukt dit met een foutmelding. Dat komt door een kerneloptie die niet is ingesteld. Raspbian had een nieuwere versie van Containerd kunnen toevoegen die de kerneloptie niet nodig heeft, maar op moment van schrijven is dit nog niet gebeurd. Het is sowieso aan te raden altijd de meest actuele docker- pakketten te gebruiken, maar vooralsnog zijn deze docker-CE-pakketten voor Raspbian alleen beschikbaar als nightly build.

Als je er niet van terugschrikt het risico aan te gaan, kun je ook de voor Debian bedoelde armhf-pakketten gebruiken. Daarvoor hoeft je alleen het convenience- script voor de docker-installatie uit te voeren en te laten mislukken. Vervolgens moet je het bestand /etc/apt/sources.list.d/docker.list wijzigen. Je vervangt raspbian door debian en 10 door buster. Na een update van de bronbestanden van het pakket haal je het docker- pakket als volgt binnen:

sudo apt install –no-install-recommends
docker-ce

De optie no-install-recommends verhindert dat apt optionele afhankelijkheden installeert die op Raspbian niet werken. Deze oplossing is natuurlijk een tijdelijke workaround. Zodra er stabiele pakketten voor Raspbian op download.docker.com beschikbaar zijn, moet je de wijzigingen in docker.list snel weer ongedaan maken.

De Raspberry Pi Model 4 is een leuke verrassing. Hij kan zo’n beetje alles echt beter dan zijn even dure voorganger. Het toepassingsgebied van de Raspberry Pi wordt daar een stuk groter door, je kunt hem nu ook gebruiken voor toepassingen waar je eerder een andere mini-pc met een minder volwassen soft ware- infrastructuur voor moest gebruiken.

De ontwikkelaarscommunity moest echter nog wel wat werk verzetten en aardig bijschaven aan Raspbian om te zorgen dat veel dingen werken: het opstarten via usb en het netwerk, een 64-bit kernel en dito programma’s, H.265-video’s en embedding van de video-decoder in Chromium en andere software. Ook het werken met twee schermen was problematisch. Gezien het enthousiasme van de community verschijnen er snel allerlei updates, zodat meer en meer wel op de Raspberry Pi 4 werkt en gebruikers kunnen profiteren van de krachtigere prestaties.

Of de Raspberry Pi 4B ook een volwaardig alternatief voor een desktop-pc is, zoals Eben Upton graag loopt te verkondigen, hangt voornamelijk sterk af van je persoonlijke verwachtingspatroon. Als je de Pi 4 als desktop-pc wilt gebruiken, moet je daar in ieder geval minstens de 2GB-versie voor kopen. De 4GB-versie is zinvol voor grotere projecten. Er wordt al gespeculeerd over een 8GB-versie, maar als die al komt, zal dat na het invoeren van een 64-bit Raspbian-versie zijn – en dat kan nog even duren.

Liefhebbers van de Raspberry Pi moeten sowieso geduld hebben, want de Raspberry Pi 4 wordt in eerste instantie alleen nog in kleine aantallen geproduceerd en uitgeleverd. De erg goedkope USB-C-voeding van de Raspberry Pi Foundation is pas vanaf augustus te koop. Iedere duurdere concurrent van de Raspberry Pi kan ongetwijfeld bepaalde dingen beter of sneller, maar de Raspberry Pi is met versie 4 in één keer weer de beste allrounder.