树莓派4B（Raspberry Pi 4B ）的功耗是什么水平？
树莓派4B（Raspberry Pi 4B ）的功耗是什么水平？
继上次介绍了树莓派4的板载BOM成本、启动过程，本次介绍一下树莓派的功耗、频率管理与热控制（Thermal throttling）。
树莓派的功耗是多少？
首先要了解，树莓派的功耗取决于SoC运行的状态和与板载连接的外设，不同情况下功耗不同。
下图是树莓派官方文档里面提供的功耗情况，出处是这里：
图1-树莓派各个型号的功耗情况
上图的列分别是：树莓派型号、推荐外部电源的供电能力、板载可提供给USB外设的最大电流、裸板（无外设连接）的功耗（电流消耗）。
功耗是用电流表示的，单位是A或者mA，这是因为板载芯片通常需要恒压，所以在电压不变，变化只有电流的情况下，可以用电流来表示功耗。
有些USB外设需要消耗很大的电流，如USB硬盘，树莓派可能提供不了足够的电流，这时候需要采用额外的USB集线器来给USB外设供电，树莓派与USB外设之间仅进行数据连接。
回到上图，对于树莓派4B的开发板来说，推荐的是能够输出5.1V 3.0A的外部电源适配器（PSU，Power supply unit ）。我拿了我的HW手机充电器看了下，具有下图几种输出规格：5V/2A、4.5V/5A，5V/4.5A。其中后两者（22.5W）应该是要有快充协议才能输出。对于非快充协议应该就是5V/2A，如果树莓派不跑大功耗应用或者连接外设，这种手机电源应该还是能应付一下。在此提一下树莓派SoC认为的低压报警阈值是4.63V+/-5%。
图2-我的华为手机充电器输出情况
我们再看一下SoC/CPU在不同状态下的树莓派功耗情况，出处如图1的链接一样：
图3-树莓派SoC/CPU在不同状态下的功耗情况（数值是电流，单位是A，安培）
其中Boot、Idle、Video playback (H.264)、Stress、Halt current，分别是对应启动、空闲、视频编解码、压力和睡眠等情况。
对于这种功耗情况，测试条件很关键，文中的说明是：在室温下使用标准Raspberry Pi OS，将树莓派连接到HDMI显示器、USB键盘和USB 鼠标。树莓派3B 连接到无线接入点，树莓派4B连接到以太网。并且没有连接其他USB外设或者扩展板。
我们看下树莓派4B，在“Stress”情况下，Max的功耗是1.25A，电压是5.1V，那么功率就是1.25*5.1 = 6.375W。那么，6.375W是什么水平？
其实，现代智能手机等小型设备的功率通常在5W至20W之间，而笔记本电脑等稍大型一点设备的功率在高达60至100W，台式机的话两三百瓦很常见。所以树莓派6.375W的功耗水平，就类似于一个智能手机的功耗，符合其SBC（Single-Board Computer）的产品定位。
树莓派SoC BCM2711的功耗是多少？
我更想看下树莓派4 BCM2711 SoC芯片的功耗是什么样？
不过这方面没有直接的数据，不管博通Broadcom还是树莓派（raspberrypi.com）都没有提供官方说明。
我们通过第三方测试平台的测试数据来了解一下，以下数据来源于http://cpu-monkey.com：
首先是BCM2711 SoC CPU ARM核和GPU/VPU VideoCore VI核的基本信息：
图4-Broadcom BCM2711 ARM CPU & GPU/VPU
然后是关于这颗SoC的热设计功率（Thermal design power，TDP），有时称为热设计点，是计算机芯片或组件（如CPU、GPU或SoC片上系统）产生的最大热量，计算机中的冷却系统旨在散发这些热量在任何工作负载下。TDP通常可以粗略地了解CPU的实际功耗。有些业内人士认为，微处理器的峰值额定功率通常是 TDP 额定值的 1.5 倍。
图5-Broadcom BCM2711的热设计功率（TDP）
图中显示7.5W，比前面Bare board中的情况略高，不过也就是10W级别的功耗水平。
比起Intel桌面级CPU（如i5）动则几十瓦的TDP是弱了很多。当然，这么比较意义不大。不过谁让树莓派说自己是Single-Board Computer呢？带了个“Computer”的字，也算台计算机了，不免让人比较一下，你说是吧。
频率管理与热控制（Thermal throttling）
现代的CPU\GPU\SoC都有频率管理，用于热控制。当芯片接近极限温度时，芯片内部使用的各种频率（有时还包括电压）都会降低。这减少了产生的热量，使温度得到控制，避免芯片损坏。示意图如下。
图6-CPU\GPU\SoC的频率管理与热控制（thermal throttling）示意图
对于树莓派来说，官方文档说，当SoC核心温度达到85°C，ARM核和GPU核的工作频率都会受到限制。来源是这里。
对于树莓派4来说，还实现了动态电压和频率缩放（Dynamic Voltage and Frequency Scaling，DVFS），它的意思是，SoC内部的各种时钟（例如ARM、Core、V3D、ISP、H264、HEVC）由固件（Firmware）监控，每当它们没有全速运行时，提供给由时钟驱动的部分的电压是有所降低。也就是说，通过控制电压和频率的动态调节，可以显着减少SoC的功耗，从而减少产生的总热量。
但电压降低，可能会造成欠压（undervoltage），导致系统不稳定，特别是在用某些外设的时钟，例如 PCIe时。因此树莓派提供了三种DVFS模式，可以在/boot/firmware/config.txt 中使用以下进行配置。大多数情况下，应使用 dvfs=3。
图7-树莓派4的动态电压和频率缩放（DVFS）
此外，还使用了分级的CPU调速器来对ARM核心频率进行细致的频率控制，现在的CPU频率步进为1500MHz、1000MHz、750MHz 和 600MHz。当SoC进入热节流（thermal throttling）时，这些操作可以开始启动。
sudo apt install cpufrequtils
sudo cpufreq-set -g powersave
可以使用cpufreq-set命令（该命令来自 cpufrequtils 工具包）手动更改CPU调速器，以减少功耗。
树莓派4B需要额外加散热器吗？
如此可见，并不需要额外散热器来防止 SoC 过热和损坏，因为上述热节流机制已经处理了该问题。但如果你希望树莓派温度低一点，这样频率可以保持较高水平（亦或者超频），额外加一个散热器或肯定会有所帮助。
下面提供了老外对树莓派使用铝制金属散热外壳下，树莓派4 SoC的温度与运行频率记录情况，来源是这里：
图8-带或不带铝制金属散热外壳下，树莓派4 SoC的温度与运行频率记录情况
树莓派的散热外壳网上有很多，形形色色的都有。加一个散热器，也会让人觉得动手做点改装有点成就感，祝大家玩得开心。
参考资料：
https://www.cpu-monkey.com/en/cpu-raspberry_pi_4_b_broadcom_bcm2711
Raspberry Pi 4 Maze Pro Passive Cooling Aluminum Case
（全文完）