آموزش جامع اورکلاک رزبری پای 4

رزبری پای ۴ در دسته‌ی کامپیوترهای کوچک و کاربردی قرار می‌گیرد که تنها با یک برد، نیازهای پردازشی کاربران را رفع می‌کند. محصول جدید رزبری با وفاداری به ساختار و طراحی‌های سنتی، امروز در مقایسه با نسل‌های قبلی یک غول پردازشی محسوب می‌شود. این کامپیوتر با وجود قدرت زیادی که به‌صورت پیش‌فرض به کاربر ارائه می‌کند، قابلیت اورکلاک و افزایش ظرفیت نیز دارد. فرایندی که با افزایش سرعت پردازش CPU و GPU ممکن می‌شود.

اورکلاک کردن کامپیوترهای حرفه‌ای خصوصا در دسته‌ی گیمینگ، سرگرمی و تخصصی قدیمی در دنیای کامپیوتر محسوب می‌شود. متخصصان این حوزه با افزایش سرعت عملکردی پردازنده‌ها، کارایی بیشتری را از آن‌ها دریافت می‌کنند. البته اورکلاک در آن نوع از کامپیوترها به تجهیزات بیشتری در بخش حفاظت و خنک‌کنندگی هم نیاز دارد. اورکلاک کامپیوتر تک بردی همچون رزبری پای ۴ هم می‌تواند به افزایش کارایی‌های آن کمک کند. در ادامه‌ی این مطلب زومیت راهنمای قدم به قدمی را برای افزایش سرعت پردازنده‌ی گرافیکی و مرکزی رزبری پای ۴ ارائه می‌کنیم.

اورکلاک کردن کامپیوتر تک برد رزبری پای برخلاف کامپیوترهای حرفه‌ای نیازمند تجهیزات زیادی نیست. درواقع کاربر می‌تواند تنها با تغییر کدهای یک فایل پیکربندی، سرعت پردازش رزبری پای خود را افزایش دهد. در مناطقی که کامپیوتر مذکور با وارانتی ارائه می‌شود نیز این فرایند در صورت رعایت محدودیت‌های اورکلاک، باعث نقض وارانتی نخواهد شد. 

اولین سخت‌افزار اضافه‌ای که برای اورکلاک Raspberry Pi 4 نیاز دارید، یک منبع تغذیه‌ی باکیفیت است. منابع تغذیه‌ای که برای راه‌اندازی و استفاده از رزبری پای در سرعت‌های پیش‌فرض استفاده می‌شوند، لزوما برای سرعت‌های بالاتر کاربردی نخواهند بود. برای شروع می‌توان منبع تغذیه‌ی محصول خود شرکت رزبری پای را تهیه کرد. در غیر این صورت باید منبع تغذیه‌‌ای از یک برند معتبر خریداری کنید. به‌هرحال در میانه‌ی فرایند اورکلاک زمانی‌که یک آیکن شبیه به رعدوبرق در گوشه‌ی تصویر نمایش داده شود، به‌معنای نامناسب بودن تغذیه‌ی انرژی دستگاه خواهد بود.

با وجود پایین بودن فشار پردازشی روی قطعات رزبری پای حتی پس از اورکلاک، نیاز به سیستم خنک‌کننده‌ی دائمی قابل اغماض نخواهد بود. البته اگر تنها برای آزمایش و تجربه فرایند اورکلاک انجام می‌دهید، نیازی به خنک‌کننده‌ی دائمی نخواهید داشت. برای نیازهای اولیه می‌توان از یک هیت‌سینک ساده استفاده کرد، اما فن همیشه روشن، انتخاب بهتری خواهد بود.

رزبری پای از سیستم روی تراشه یا SoC به‌عنوان پردازنده استفاده می‌کند. اکثر فرایندهای اورکلاک این کامپیوتر به افزایش سرعت پردازنده‌ی مرکزی اختصاص دارند و آزمایش‌ها نیز عموما روی همان انجام می‌شوند. برای شروع فرایند اورکلاک پردازنده‌ی مرکزی، ابتدا باید علاوه بر خود برد رزبری پای و لوازم جانی بالا، یک حافظه‌ی microSD با نسخه‌ای از نرم‌فزار NOOBS داشته باشید. نرم‌افزار نوبز یا New Out Of Box Software باید از رزبری پای ۴ پشتیبانی کند. برای اطمینان از دریافت و نصب نسخه‌ی صحیح نرم‌افزار، نسخه‌ی اصلی را از وب‌سایت رسمی رزبری دانلود کنید.

دلیل استفاده از NOOBS به‌‌جای نرم‌افزار Raspbian ساده است: NOOBS این قابلیت را به کاربر می‌دهد که فایل‌های پیکربرندی را (حتی در صورت بارگذاری نشدن raspberian) در مسیر boot/ ویرایش کند. درواقع اگر مشکلی در فرایندها رخ دهد و رزبری به‌خوبی بوت نشود، تنها با نگه داشتن دکمه‌ی شیفت در فرایند بارگذاری می‌توان به NOOBS Recovery Mode رفت و فایل‌های پیکربندی را ویرایش کرد.

اکثر تنظیمات پیکربندی مورد نیاز برای رزبری پای درون فایلی به‌نام config.txt قرار دارند که در مسیر boot/ قابل مشاهده است. فایل مذکور به‌صورت یک سند استاندارد متنی در پوشه قرار دارد و می‌توان به روش‌های گوناگونی آن را باز و ویراش کرد. با دو بار کلیک کردن روی فایل در محیط رزبرین می‌توان فایل را باز کرد، اما امکان ویرایش و ذخیره‌ی تغییرات وجود ندارد. برای ذخیره‌ی تغییرات در فایل نیاز به دسترسی‌های بیشتر دارید. ترمینال کدنویسی رزبری را با فشار دادن دکمه‌های Ctrl+Alt+T باز کرده و دستور زیر را وارد کنید:

sudo nano /boot/config.txt

با وارد کردن کد بالا، فایل در ویرایشگر متنی Nano باز می‌شود و دسترسی‌های سطح روت نیز به کاربر داده می‌شود که شبیه به حساب کاربری Administrator در ویندوز خواهد بود. پس از باز شدن فایل به پایین کدها لروید و بخش [pi4] را پیدا کنید. در این بخش تنظیماتی قرار دارند که تنها در صورت وارد کردن حافظه‌ی مایکرو اس‌دی در رزبری پای ۴ اجرا می‌شوند. اگر نسخه‌ای دیگر از رزبری را اورکلاک می‌کنید، تنها کافی است به بخش پایینی فایل بروید. در یک خط جدید در بخش [pi4] کد زیر را وارد کنید:

over_voltage=2

arm_freq=1750

اولین خط دستور بالا، ولتاژ ارسالی به SoC را به میزان ۰/۰۵ ولت افزایش می‌دهد که البته مقدار قابل‌توجهی نیست. به‌هرحال بدون افزایش ولتاژ ورودی نمی‌توانید رزبری پای خود را با سرعت بالاتر پردازنده بوت کنید. خط دوم، سرعت پردازنده‌ی رزبری پای (۴ پردازنده‌ی Arm Cortex-A72) را به ۱۷۵۰ مگاهرتز یا ۱/۷۵ گیگاهرتز می‌رساند که ۲۵۰ مگاهرتز بیشتر از تنظیمات کارخانه‌ای (۱/۵ گیگاهرتز) خواهد بود.

درحال‌ حاضر سرعت پردازنده‌ی ۱/۷۵ گیگاهرتز بالاترین حد اورکلاک رزبری پای ۴ محسوب می‌شود. البته با ارائه‌ی به‌روزرسانی‌های جدید برای فرمور کامپیوتر تک بوردی، شاید بتوان سرعت پردازنده‌ی ۲ گیگاهرتز را نیز از آن استخراج کرد. برای ذخیره‌ی تغییرات بالا، از کلیدهای Ctrl+O استفاده کنید و با Ctrl+X، ویرایشگر Nano را ببندید. برای بارگذاری با تنظیمات جدید، باید رزبری پای خود را مجددا راه‌اندازی کنید. برای این منظور دستور زیر را در ترمینال بنویسید:

sudo reboot

اگر همه‌ی شرایط به‌خوبی پیش بروند، رزبری با تنظیمات جدید راه‌اندازی خواهد شد. در غیر این صورت و با بروز هرگونه اشکال، در فرایند بوت دکمه‌ی شیفت را نگه دارید تا وارد حالت بازیابی NOOBS شوید. در آنجا با تغییر دادن تنظیمات بالا (افزایش over_voltage یا کاهش arm_freq) فرایند را تکرار کنید تا به بارگذاری پایدار برسید. فراموش نکنید که حداکثر تنظیمات برای دستور over_voltage برابر با ۶ است که به‌معنای افزایش ۰/۱۵ ولتی ولتاژ ورودی خواهد بود. می‌توان با دستوری همچون force_turbo تنظیمات را باز هم افزایش داد که البته منجر به از بین رفتن وارانتی دستگاه می‌شود.

اورکلاک کردن رزبری پای ۴ تنها به تغییرات جزئی در یک فایل پیکربندی ختم نمی‌شود. این فرایند تأثیر قابل‌توجهی روی کارایی و بازدهی دستگاه هم خواهد داشت. تغییراتی که در بنچمارک‌های پردازنده به‌راحتی قابل مشاهده هستند.

در تصویر بالا بنچمارک Linpack را می‌بینیم که در حالت‌های Single-Precision یا SP و Double Precision یا DP و NEON کارایی پردازنده‌ی اورکلاک شده را بررسی می‌کند. حالت‌های SP و DP به‌ترتیب افزایش کارایی ۱۶ و ۱۸ درصد را پس از اورکلاک تجربه کرده‌اند. حالت NEON مبتنی بر هسته‌‌های آرم نیز بهینه‌سازی ۱۵ درصدی را نشان می‌دهد.

در آزمایشی دیگر (تصویر بالا) آزمایشی کاربردی برای فشرده‌سازی فایل انجام می‌شود تا قدرت پردازش را آزمایش کند. در این آزمایش، از ابزارهای bzip2 و lbzip2 استفاده می‌شود که به‌صورت تک‌رشته و چندرشته، فرایند فشرده‌سازی را انجام می‌دهند. پس از اورکلاک، فرایند تک‌رشته افزایش سرعت ۹ درصدی و فرایند چندرشته، افزایش ۷ درصدی را ثبت کرد.

آزمایش بعدی به بنچمارک ویرایش تصویر اختصاص دارد. این بنچمارک با ابزار متن‌باز و مشهور GIMP طراحی شد و بهبود کارایی با افزایش سرعت پردازنده را نشان می‌دهد. پس از اورکلاک، فرایند ویرایش در ۳۹/۲ ثانیه انجام شد، درحالی‌که پیش از آن زمان ۴۷/۳۵ ثانیه ثبت شده بود. با مقایسه‌ی آمارها، متوجه بهینه‌سازی ۱۷/۲ درصدی در وظایف ویرایش تصویر می‌شویم.

همان‌طور که تصویر بالا نشان می‌دهد، با اورکلاک رزبری پای حتی مرور وب نیز بهتر می‌شود. بنچمارک Speedometer 2.0 روی رزبری پای ۴ انجام شد که پاسخگویی به درخواست‌های وب‌ اپلیکیشن‌ها را بررسی می‌کند. طبق بنچمارک انجام شده، اورکلاک بهبودی ۱۱ درصدی در عملکرد رزبری ایجاد کرد.

آزمایش بالا نشان می‌دهد که همه‌ی بخش‌ها لزوما از افزایش سرعت سود بالایی نمی‌برند. بازی تیراندازی اول شخص OpenArena که براساس Quake III Arena توسعه یافته است، پس از اورکلاک تنها بهبودی جزئی در نرخ فریم تجربه کرد. اپلیکیشن‌های این‌چنینی عموما به سرعت پردازنده‌ی گرافیکی محدود هستند و افزایش سرعت پردازنده کاربرد بالایی برای آن‌ها نخواهد داشت. به‌هرحال برای بهینه‌سازی در این بخش باید GPU را اورکلاک کنیم.

اورکلاک کردن پردازنده‌ی گرافیکی رزبری پای ۴ تفاوت آن‌چنانی با اورکلاک CPU ندارد. با استفاده از همان فایل پیکربندی قبلی می‌توان فرایند اورکلاک پردازنده‌ی گرافیکی را نیز انجام داد. برای شروع فرایند، ترمینال را با کلیدهای Ctrl+Alt+T اجرا کرده و کد زیر را تایپ کنید:

sudo nano /boot/config.txt

مجددا به بخش [pi4] فایل بروید و خط زیر را به آن اضافه کنید:

gpu_freq=600

همان‌طور که از ساختار دستور بالا برداشت می‌شود، gpu_freq به سرعت پردازنده‌ی گرافیکی مرتبط است. درواقع این دستور مشابه دستور arm_frq پردازنده‌ی مرکزی عمل می‌کند. فرکانس پیش‌فرض پردازنده‌ی گرافیکی ۵۰۰ مگاهرتز است و افزایش آن به ۶۰۰ مگاهرتز، بهینه‌سازی قابل‌قبولی را به آن می‌افزاید. درواقع افزایش یک‌پنجم سرعت پردازنده‌ی گرافیکی، با پایین نگه داشتن ریسک، تأثیری هم بر وارانتی دستگاه نخواهد داشت.

افزایش هم‌زمان سرعت پردازنده‌های گرافیکی و مرکزی، احتمالا برای تنظیمات overvoltage دستگاه بیش‌ از حد باشد. به‌همین دلیل در همان فایل به‌دنبال عبارت over_voltage=2 باشید و آن را به‌صورت زیر تغییر دهید:

over_voltage=4

مانند مراحل قبل، فایل را با کلیدهای Ctrl+O ذخیره کنید و با کلیدهای Ctrl+X ببندید. رزبری پای خود را مجددا راه‌اندازی کنید. مجددا اگر در فرایند بوت با مشکلی مواجه شدید، با نگه داشتن کلید شیفت به حالت بازیابی بروید و دستورها را تغییر دهید. افزایش over_voltage به عدد ۶ می‌تواند مشکل راه‌اندازی را حل کند. تنظیمات بیش از این مقدار نیازمند فعال بودن حالت force_turbo دارد.

احتمالا در ابتدا تصور می‌کنید که اجرای بنچمارک‌های پردازنده‌ی اصلی پس از اورکلاک پردازنده‌ی گرافیکی فرایندی بیهوده خواهد بود. در بنچمارک پردازنده‌ی مرکزی هم دیدیم که اجرای آزمایشی همچون OpenArena که نیازمند پردازنده‌ی گرافیکی بود، تفاوت آن‌چنانی نشان نداد. به‌ هر حال در وضعیت برعکس آزمایش‌ها نتایج دیگری را نشان می‌دهند. درواقع بهبود سرعت GPU در بنچمارک‌های CPU هم تأثیر دارد.

پردازنده‌ی گرافیکی رزبری پای کنترل بالایی روی سیستم دارد. درواقع SoC این کامپیوتر به‌صورت طبیعی برای عملکردهای رسانه‌ای طراحی شده است که در دستگاه‌هایی همچون ست‌تاپ باکس استفاده می‌شود.

بنچمارک Linpack نشان می‌دهد که افزایش سرعت GPU در فرایندهای مبتنی بر پردازنده‌ی مرکزی هم مؤثر است. کارایی حالت SP در آزمایش دوم هم افزایش داشت و بهبود ۲۰ درصدی را نسبت به نسخه‌ی کارخانه‌ی رزبری پای ۴ ثبت کرد. درحالی‌که اورکلاک CPU به‌تنهایی، بهبود کارایی ۱۷ درصدی را نشان داد. بهبود کارایی در حالت DP کمی کمتر گزارش می‌شود اما آزمایش NEON، افزایش ۲۰ درصدی را نشان می‌دهد. در آزمایش قبلی و تنها با افزایش سرعت CPU،‌ شاهد بهبود ۱۵ درصدی بودیم.

آزمایش فشرده‌سازی فایل یا عملکرد سیستم در کارهای روزمره، نشان می‌دهد که در برخی از وظایف با اورکلاک شاهد کاهش عملکرد خواهیم بود. بنچمارک تک‌رشته‌ای هیچ تغییر قابل‌توجهی نسبت به اورکلاک CPU به‌تنهایی، نشان می‌دهد. البته در بنچمارک چندرشته‌ای شاهد کاهش عملکرد سیستم هستیم. زمانی‌که تنها پردازنده‌‌ی مرکزی اورکلاک شد، بهبود ۶/۷ درصدی را در عملکرد دیدیم، درحالی‌که با اورکلاک پردازنده‌ی گرافیکی در کنار آن، بهبود کارایی به ۱/۳ درصد کاهش یافت.

نکته‌ی جالب‌توجه بنچمارک پس از اورکلاک پردازنده‌ی گرافیکی، در آزمایش ویرایش تصویر دیده شد. در اورکلاک پردازنده شاهد بهبود ۱۷/۲ درصدی عملکرد بودیم، درحالی‌که پس از اورکلاک پردازنده‌ی گرافیکی، این مقدار به ۶/۶ درصد کاهش یافت. درواقع در حالت جدید فرایند ویرایش تصویر سه ثانیه بیشتر زمان برد.

در بحث مرور وب، اورکلاک پردازنده‌ی گرافیکی دستاوردهای بهتری نسبت به آزمایش‌های دیگر داشت. بهبود کارایی که در حالت اورکلاک پردازنده‌ی مرکزی ۱۱/۲ درصد ثبت شده بود، با اورکلاک پردازنده‌ی گرافیکی به ۱۲/۴ درصد رسید. البته افزایش مذکور آن‌چنان زیاد نیست، اما نسبت به کاهش عملکردی که در آزمایش‌های دیگر داشتیم، یک پیشرفت محسوب می‌شود.

اورکلاک پردازنده‌ی گرافیکی قطعا در نتایج آزمایش نرم‌افزارهای گرافیکی تأثیر خود را بیش از بخش‌های دیگر نشان می‌دهد. در بنچمارک گیمینگ OpenArena شاهد بهبود بسیار زیاد عملکرد رزبری پای هستیم. افزایش سرعت پردازنده به ۶۰۰ مگاهرتز از مقدار کارخانه‌ای ۵۰۰ مگاهرتز، نرخ فریم بازی را ۴۱/۴ فریم‌بر‌ثانیه به ۴۸/۲ فریم‌بر‌ثانیه می‌رساند که افزایشی ۱۶/۴ درصدی خواهد بود.

رزبری پای ۴ با تنظیمات پیش‌فرض و کارخانه‌ای دستگاهی قوی محسوب می‌شود. کامپیوتر جدید رزبری به‌راحتی نسل‌های قبلی خود و همچنین رقبای هم‌قیمت را در بسیاری از بنچمارک‌ها شکست می‌دهد. به‌علاوه برای کاربرانی که کمی قدرت بیشتر نیاز دارند، اورکلاک کردن به‌راحتی انجام می‌شود. همان‌طور که در بالا دیدیدم، تنها با تغییر کمی از کدهای ساختاری دستگاه می‌توان سرعت پردازنده‌های گرافیکی و مرکزی را افزایش داد.

مجددا تکرار می‌‌کنیم که با وجود تک بردی و کوچک بودن رزبری پای، خنک‌کنندگی در  فرایند اورکلاک اهمیت بالایی دارد. به‌علاوه پیش از نهایی کردن تنظیمات باید حالت بهینه را برای اورکلاک در نظر داشته باشید. در نتایج بالا دیدیم که اورکلاک CPU و GPU به‌صورت هم‌زمان در برخی از وظایف موجب کاهش عملکرد سیستم می‌شود. به‌هرحال ارائه‌ی فریمورهای جدید از سوی شرکت سازنده شاید این بخش‌ها را نیز بهبود دهد و حتی شاهد افزایش سقف اورکلاک پردازنده‌ی مرکزی هم باشیم.