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Es besteht kein Zweifel daran, dass die Welt von heute auf miniaturisierten Recheneinheiten basiert. Das Herzstück der meisten heutigen Geräte sind mehr oder weniger fortschrittliche Mikroprozessoren, deren Leistung tausendmal höher ist als die des Bordcomputers im Kommandomodul des Raumschiffs CSM-107 “Columbia”, das an der Apollo 11-Mission teilnahm. Und vergessen wir nicht die heutigen Smartphones, deren Rechenleistung dank ihrer fortschreitenden Miniaturisierung unglaublich ist. Der Fortschritt ist auch an den Heimcomputern und dem ständig wachsenden Markt für Mikrocomputer nicht vorbeigegangen. Ein Paradebeispiel dafür ist der neue Raspberry Pi 5, der Gegenstand des heutigen Artikels sein wird.
Mikrocomputer in der Welt von heute
Mikrocomputer sind unscheinbare und kleine Geräte, die für ihre Größe über ein enormes Rechenpotenzial verfügen und von außen betrachtet vielleicht sogar wie Zauberkästen aussehen. In Wirklichkeit gibt es aber gar keine Zauberei, sondern es handelt sich um komplexe Computersysteme, die auf einer kleinen Leiterplatte aufgebaut sind. Jeder Mikrocomputer verfügt über einen Prozessor, in der Regel eine Variante der ARM-Architektur, einen Arbeitsspeicher (RAM) für die Speicherung der aktuell verwendeten Daten, Ein- und Ausgangsports für den Anschluss externer Peripheriegeräte und ein Stromversorgungsmodul. Kurz gesagt, alles, was für den Betrieb eines einfachen Computersystems erforderlich ist.
In den letzten Jahren sind Mikrocomputer nicht mehr nur ein Spielzeug für Bastler oder Technikbegeisterte. Diese Geräte haben auch in anderen Bereichen ihren Platz gefunden, von Bildung und Unterhaltung bis hin zu Industrie und Wissenschaft. Im Bildungswesen sind sie ein hervorragendes Werkzeug für den Unterricht in Programmierung, Elektronik und den Grundlagen der Informatik. In der Industrie werden sie oft für einfache Prozessautomatisierung, Gerätesteuerung, Umweltüberwachung oder einfach als Plattform für das Prototyping eingesetzt. Wenn Sie mehr über den Einsatz von Mikrocomputern in der Industrie am Beispiel des Sony Technology Center und SHARP Consumer Electronics Poland erfahren möchten, lesen Sie bitte einen meiner früheren Beiträge.
Einige der bekanntesten Mikrocomputer sind natürlich dieRaspberry PiBoards. Ihre Geschichte reicht bis ins Jahr 2006 zurück, obwohl der erste Mikrocomputer mit dem Raspberry-Logo erst 2012 erschien. Die geringe Größe, der niedrige Preis, die Vielseitigkeit und die Unterstützung durch die Community haben die Raspberry Pi-Computerplattform auf der ganzen Welt äußerst beliebt gemacht. Von einfachen Heimwerkerprojekten bis hin zu fortgeschrittenen Anwendungen im Zusammenhang mit dem Internet der Dinge (IoT). Im Laufe der Jahre sind immer mehr Raspberry Pi-Mikrocomputer aufgetaucht, die unsere Herangehensweise an Technologie irgendwie neu definiert haben und es jedem ermöglichen, selbst extrem fortschrittliche Anwendungen bequem zu Hause auszuführen. Deshalb lohnt es sich, einen genaueren Blick auf die nächste Iteration des RPI (Raspberry Pi) zu werfen und über die Richtung nachzudenken, die moderne Mikrocomputer einschlagen.
Raspberry Pi 5 Mikrocomputer
Die Ankunft der nächsten Version des Raspberry Pi Boards kam etwas überraschend, obwohl es schon seit einiger Zeit Stimmen in der Technologiebranche gibt, die sagen, dass wir in naher Zukunft mit der Ankunft eines weiteren Raspberry rechnen können. Immerhin sind seit der Veröffentlichung des Raspberry Pi 4 mehr als drei Jahre vergangen.
Wenn wir den neuen Raspberry Pi von außen betrachten, können wir vertraute Formen und technische Lösungen erkennen, die denen der früheren Versionen dieser Plattform ähneln. Allerdings gibt es auch ein paar Änderungen, auf die wir später eingehen werden. Bleiben wir vorerst bei den technischen Daten des neuen RPI5. Die Plattform basiert auf dem Broadcom BCM2712 SoC (System on Chip), in dem die Entwickler vier ARM Cortex A76 Kerne untergebracht haben, die mit 2,4 GHz getaktet sind. Dies ist ein beträchtlicher Sprung gegenüber den vier ARM Cortex A72-Kernen, die im Raspberry Pi verwendet werden, dessen Leistung selbst bei gleicher Taktrate deutlich geringer ist. Ein weiterer interessanter Aspekt des neuen Prozessors ist der Feature-Cache. In der vorherigen Generation des Raspberry Pi gab es 80 KB L1-Level-Speicher pro Kern und 512 KB L2-Level-Speicher pro Kern, wobei sich alle vier Prozessorkerne diesen Wert teilten. Beim RPI5 haben die Entwickler beschlossen, die Menge des L1-Level-Speichers auf einen Wert von 64 KB pro Kern zu reduzieren, aber den restlichen Speicher zu erhöhen. Der BCM2712 kann 512KB L2-Level-Cache nutzen, aber es ist erwähnenswert, dass jeder Kern eine eigene Struktur hat, so dass der Speicher nicht gemeinsam genutzt wird. Nur eine zusätzliche 2MB L3-Speicherbank wird von allen Prozessorkernen gemeinsam genutzt. Diese Lösung führt zu einer Steigerung der SoC-Leistung des neuen Raspberry Pi im Vergleich zu seinem Vorgänger.
Ebenfalls erwähnenswert ist der Grafikprozessor des neuen RPI5, der ziemlich stark überarbeitet wurde. Dieses Mal bekommen wir einen 12-Kern VideoCore der 7. Generation, der mit 1 GHz läuft. Laut der Raspberry Pi Foundation erreicht eine solche Lösung eine zwei– bis zweieinhalbmal höhere Leistung als der im Raspberry Pi 4 verwendete Chip der 6. Generation.
Wie bei früheren Modellen ist der RPI5 in verschiedenen RAM–Speichern erhältlich – 1GB, 2GB, 4GB und 8GB. Wenn Sie das Potenzial des neuen Mikrocomputers voll ausschöpfen möchten, ist es ratsam, sich für die 4-GB- oder besser die 8-GB-Version zu entscheiden. Wie Sie auf dem Foto oben sehen können, ist die RAM-Kapazität beim Raspberry Pi 5 viel einfacher zu identifizieren als beim Vorgängermodell, da auf dem Laminat eine Bezeichnung aufgedruckt ist, neben die ein Widerstand gelötet ist. Ein Widerstand neben der Bezeichnung 8G bedeutet zum Beispiel, dass es sich um einen RPI mit 8 GB RAM handelt.
Ein äußerst interessantes Element der neuen Raspberry Pi Revision ist ein unscheinbarer Chip mit der Bezeichnung RP1. Die meiste Kraft und Leistung steckt in dem verwendeten SoC, dem BCM2712, der einen Rechen- und Grafikprozessor in sich vereint. Es ist jedoch wissenswert, dass nicht alle Peripheriegeräte mit ihm verbunden sind, wie es bei früheren Generationen des Mikrocomputers der Fall war. Zum ersten Mal haben die Raspberry-Ingenieure beschlossen, einen Chip zu verwenden, den wir als Süd–Brücke bezeichnen könnten. Der RP1 hat die Aufgabe, die Hauptrecheneinheit zu unterstützen, indem er die Aufgaben der USB-, Ethernet-, E/A-, Kamera- und Display-Anschlüsse übernimmt. Mit dieser Lösung erhalten wir zum ersten Mal bei einem RPI zwei universelle Anschlüsse, die für diese Peripheriegeräte bestimmt sind. Wenn Sie mehr über den RP1 erfahren möchten, empfehle ich Ihnen einen Blick auf das Video auf dem YT-Kanal – Raspberry Pi, in dem der Chip vorgestellt wird.
Der neue Raspberry Pi unterstützt auch Bluetooth und WIFI, was nicht verwunderlich ist, da diese Standards bereits zu einem Eckpfeiler der modernen Technologie geworden sind. Es ist heute schwierig, ein Gerät zu finden, das diese drahtlosen Kommunikationsschnittstellen nicht unterstützt. Ein weiterer Klassiker des RPI ist der microSD-Kartensteckplatz, auf dem das vom Mikrocomputer ausgeführte System gespeichert wird. Diese Lösung ist einfach, kostengünstig und kommt Anfängern in der Elektronik oder Informatik zugute, aber sie bringt auch einige Einschränkungen mit sich, die ich am Ende dieses Materials erwähnen werde.
Raspberry Pi 5 von außen
Ich habe mich entschlossen, die Beschreibung des neuen Raspberry Pi 5 in zwei Teile aufzuteilen. Im ersten Teil habe ich den neuen SoC, den RP1-Chip, oder Fragen zum Speicher vorgestellt. Im zweiten Teil möchte ich das neue Board von außen betrachten und es mit dem zuvor veröffentlichten RPI4 vergleichen.
Beginnen wir unser vergleichendes Abenteuer am linken Rand der beiden Konstruktionen, da wir dort bereits recht deutliche Unterschiede feststellen können. Ein neues Merkmal des Raspberry Pi 5 ist der PCI Express 2.0-Anschluss, über den eine externe SSD an den Mikrocomputer angeschlossen werden kann. Außerdem wurde unter dem PCIe-Steckplatz eine lang erwartete Ein/Aus-Taste angebracht. Von nun an müssen Sie, wenn Sie das System ausschalten möchten (wenn der Monitor nicht eingesteckt ist), nicht mehr physisch das Netzteil abziehen; drücken Sie einfach zweimal auf die Miniaturtaste.
Auch am unteren Rand des Boards gibt es Änderungen. Zusätzlich zu den bekannten USB- und HDMI-Buchsen sind hier zwei Anschlüsse erschienen – BAT und UART. Der erste dient zum Anschluss einer externen Batterie für die RTC, dank der die Systemuhr auch nach dem Abschalten der Stromversorgung weiter unterstützt wird. Der UART-Anschluss wird für das Debugging verwendet, d.h. es handelt sich um einen Anschluss, der über die universellen I/O-Pins hinausgeht und die Steuerung des neuen RPI ermöglicht, wenn kein externer Monitor an das Board angeschlossen oder die SSH-Option nicht aktiv ist. Darüber hinaus verfügt der Raspberry Pi 5 auch über zwei universelle Kamera- und Display-Anschlüsse. Damit hat der Hersteller seine bisherige Lösung mit zwei separaten Anschlüssen für ein bestimmtes Zubehör aufgegeben. Darüber hinaus wurde ein PoE-Anschluss von der Oberseite an die Unterseite verlegt.
Die Modifikationen haben auch die größten Anschlüsse auf dem RPI-Board nicht ausgelassen. Wie bei der früheren Revision gibt es hier vier USB-Anschlüsse, von denen zwei mit dem 3.0-Standard kompatibel sind, und einen Ethernet-Netzwerkanschluss. Dieses Mal kehren wir jedoch zu der vom Raspberry Pi 3 B+ bekannten Anordnung der Anschlüsse zurück, d.h. der Ethernet-Anschluss befindet sich unterhalb der USB-Anschlüsse.
Die wenigsten Änderungen im Vergleich zum Vorgänger wurden an der Oberkante vorgenommen. Hier befindet sich ein universeller E/A-Anschluss sowie eine Neuheit in Form eines Steckplatzes für einen externen Lüfter, um die Kühlung des Raspberry Pi zu verbessern.
Kraft und Leistung
Es wird wohl niemanden überraschen, dass der neue Raspberry Pi leistungsfähiger ist als sein Vorgänger, dennoch wäre es etwas seltsam, einen Mikrocomputer mit minderer Rechenleistung auf dem Markt zu sehen. Um den neuen RPI5 zu testen, habe ich beschlossen, einen einfachen Leistungstest mit ihm durchzuführen – Geekbench 6, der versucht, die tatsächliche Arbeitslast und die Aufgaben eines potenziellen Benutzers zu simulieren. Das Ergebnis des Tests ist ein numerischer Wert, der dem Leistungsniveau entspricht. Ich habe den Test auch auf meinem Raspberry Pi 4 durchgeführt und die Ergebnisse mit den Werten des RPI5 verglichen. Beide Mikrocomputer waren mit 8 GB RAM ausgestattet und die Betriebssysteme waren auf denselben SanDisk Ultra-Speicherkarten installiert, abgesehen davon, dass beide Boards keine Kühlung hatten.
Sie können die Ergebnisse des Tests in der Grafik oben sehen. Sowohl bei der Single-Core- als auch bei der Multi-Core-Konfrontation war der Raspberry Pi 5 der Sieger. Es ist auch erwähnenswert, dass die Single-Core-Leistung des RPI5 geringfügig höher ist als der Wert, den alle Kerne der vorherigen Generation des SoC erreicht haben. Mit wenigen Worten lässt sich sagen, dass der Raspberry Pi 5 in Bezug auf die Rechenleistung viel besser abschneidet als sein Vorgänger.
Der Anstieg der Leistung geht auch mit einem Anstieg des Stromverbrauchs einher. Wenn Sie den neuen RPI verwenden möchten, sollten Sie sich mit einem wirklich effizienten und stabilen Netzteil ausstatten, denn das Gerät kann eine Menge Strom verbrauchen. Das für die neue Version des Mikrocomputers vorgesehene Netzteil ist auf 27 W (5,1 V 5 A) ausgelegt, aber leider reicht das Netzteil des älteren Raspberry Pi (5,1 V 3 A) möglicherweise nicht aus.
Raspberry Pi 5 in KI-Anwendungen
Was auch immer man sagen mag, künstliche Intelligenz und alle damit verbundenen Plattformen und Anwendungen sind derzeit führend in der Technologiebranche. KI-Algorithmen können schon seit einiger Zeit auf kleinen Mikrocomputern ausgeführt werden. Ein Beispiel für eine recht interessante Plattform, die sich der künstlichen Intelligenz widmet, ist der Nvidia Jetson Nano, über den ich bereits mehrere Artikel schreiben konnte. Es lohnt sich jedoch zu wissen, dass auch der Raspberry Pi in der Lage ist, KI-Anwendungen auszuführen. Die Veröffentlichung der neuen Version des Mikrocomputers ist der perfekte Zeitpunkt, um die Leistung der Plattform bei dieser Art von Anwendungen genauer unter die Lupe zu nehmen.
Vor einiger Zeit erschien ein kurzer Artikel von Elaine Wu auf der Plattform von Seeedstudio, die Sie vielleicht mit der Produktion von kleinen elektronischen Modulen für den Arduino und den Raspberry Pi in Verbindung bringen, mit Vergleichsdaten aus Tests von KI–Algorithmen auf dem neuen RPI. Das Ganze basiert auf dem ncnn Framework, das auf neuronalen Netzwerkmodellen wie PyTorch, TensorFlow und ONNX basiert. Die Tests wurden auf der neuen 8-GB-Version des RPI5 und dem Vorgängermodell, das ebenfalls über 8 GB RAM verfügt, durchgeführt.
Wie in meinem Test, wurde auch hier der Raspberry Pi 4 fast zerquetscht. Der RPI5 dominiert sowohl die Single- als auch die Multi-Core-Tests, unabhängig vom getesteten AI-Modell. Bemerkenswert ist, dass auch hier der Single-Core BCM2712 ein besseres Ergebnis erzielt als der gleiche Multi-Core-Test auf dem RPI4.
Evolution oder Revolution?
Zweifellos kann man sagen, dass der neue Raspberry Pi 5 ein äußerst interessantes Stück Hardware ist, das trotz vieler Änderungen und eines deutlichen Leistungssprungs meiner Meinung nach ein perfektes Beispiel für einen korrekt geführten Hardware-Evolutionsprozess ist. Wir haben ein Gerät mit mehr Rechenleistung erhalten, mit zusätzlichen Innovationen, die den Aspekt der Nutzung verbessern. Meiner Meinung nach können wir eine allmähliche Abkehr der Raspberry Pi Foundation vom typischen Hobbyistenmarkt hin zu professionelleren Anwendungen beobachten. Die nächsten RPIs sind keine einfachen Spielzeuge für Technikbegeisterte mehr, sondern voll funktionsfähige Geräte mit beachtlichen Fähigkeiten. Es ist wahrscheinlich, dass wir in Zukunft weitere Innovationen und Änderungen sehen werden, die von den Raspberry Pi-Designern eingeführt werden, um diesen Mikrocomputer auch für andere Anwendungen als den Heimgebrauch anzupassen. Es ist durchaus möglich, dass in der nächsten Version des RPI der Platz für eine microSD-Karte fehlen wird, um das Festkörperspeichermodul zu ersetzen, da die Speicherkarte in manchen Situationen bereits der Flaschenhals des gesamten Mikrocomputers war und seine Leistung einschränkte. Aber was auch immer die Zukunft bringt, die nächsten Versionen der Raspberry Pi Mikrocomputer werden sicherlich interessante Geräte sein.
Quellen:
https://www.raspberrypi.com/products/raspberry-pi-5/
https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/raspberry-pi-5.html
https://www.raspberrypi.com/documentation/microcontrollers/rp1.html
www.youtube.com/watch?v=aioB40BGQYU
https://www.pcmag.com/reviews/raspberry-pi-5
www.youtube.com/watch?v=oo5wb4LDWW4
https://pi-apps.io/install-app/install-geekbench-6-on-raspberry-pi/
www.seeedstudio.com/blog/2023/09/28/raspberry-pi-5-vs-pi-4-ai-performance-cpu-benchmark-how-much-leap-forward/
https://github.com/Tencent/ncnn/tree/master/benchmark
