为了推广与增加芯片的知名度,有时候常会用一些「特技」来制造话题,例如过去esp8266芯片推出后就有人试验它的收发距离极限,最后实测得到366公尺(使用pcb印刷电路板天线)、479公尺(使用外接天线),远超过一般wi-fi设定的100公尺,有时实务上更只有40~80公尺。
类似的, raspberry pi pico所用的rp2040芯片正规是跑133mhz频率频率,这在一般的mcu微控制器上也算是快的了,因为有许多cortex-m系列的mcu也只跑在24mhz~72mhz间,但偏偏有人觉得不够,希望榨出rp2040的极限,因此对其超频(overclocking),结果最高可以到惊人的1ghz(1,000mhz)频率。
树莓派基金会的实习生david bell就同时动用了多种技术让rp2040芯片达到1ghz,并且还跑了效能标竿(benchmark)测试,而后将测试数据跟其他树莓派板进行比较,包含跑1ghz的raspberry pi zero w、跑700mhz的第一代raspberry pi model b,以及正规跑125mhz的rpi pico,在同样跑1ghz下rp2040的效能测试还胜过rpi zero w呢!
把raspberry pi pico的rp2040芯片抄频到1ghz后,效能还胜同为1ghz运作的raspberry pi zero w
david bell使用dhrystone来进行效能测试,dhrystone从1984年由reinholdweicker撰写出来后至今都是业界标准,常用来对芯片运算效能进行初步评判。不过dhrystone需要改写才能跑在rp2040上,这方面有资深标竿测试人士roy longbottom用rp2040 c/c++ sdk改写出来,改写成的标竿程序除了跑在rp2040上也跑在rpi zero w跟第一代rpi model b上,以便用相同基准来比较。
接着david bell透过三个面向让rp2040能超频,即频率、电压、温度。首先是频率,david bell舍弃一般寻常使用的石英(crystal)振荡器而改用环形(ring)振荡器,这样可以随着温度、电压等条件的改变而持续让频率频率最大化,为了达到最大化david bell也对振荡器参数进行设计设定,包含把除频器设为1、把状态数设为2。
另外,rpi pico上的spi接口程序内存并不耐操,频率大约到260mhz~270mhz后就无法再正常运作,所以david bell是把程序转移到rp2040内部的ram内存上来跑,如此才能用更高的频率跑,跑的程序与相关内容也放在github 上供人参考。
https://github.com/davidb990/rp2040_xoc
其次是电压,一般而言加电压可以增高频率,标准rp2040使用1.1v,david bell刻意断开rp2040芯片上的vreg_out接脚与dvdd接脚间的连动性,直接焊接外部供电给dvdd,并加电压加到3v,远高过原有的1.1v,强制把更高的电压送入芯片的核心电路内。
其三是温度,david bell运用致冷器(peltier cooler)把rpi pico冻结到零下摄氏40度,温度愈低愈有超频空间,事实上david bell是先降温后才开始加电压,以此激出芯片的极限潜能。
已经被致冷器冻结的raspberry pi pico然后用外部强加电压方式进行超频
超频到1ghz虽然很让人激赏,但其实也无法长久运作,david bell仅仅在跑了几次dhrystone后又过了几分钟rpi pico/rp2040就挂了,之后即便恢复正常条件也无法使用。
上述属于极端的超频方式,但其实打从第一代的rpi就允许「适度」的超频,第一代的rpi正规是跑700mhz,然后在开机设定的选单中就允许用户选择另外四种加速模式,分别是modest、medium、high以及turbo,超频的频率分别是800mhz、900mhz、950mhz以及1ghz,有趣的是,这个官方原厂直接以选单方式提供的超频功能是在保固之内的,选择四种超频模式如果操坏了是可以要求维修或换新的。
小结
最后补充说明两点,一是致冷器在过去的各种芯片超频中就曾用过,致冷器的散热效果胜过散热片、电动风扇,但缺点是耗电,以及过冷时可能会在致冷的接面上把周遭的空气凝结成水,水滴反而有可能影响到电路板运作。
所以,现在一般的计算机散热不会去使用致冷器,只有非常要求低温与精准温度控制的地方会用上,例如光纤交换设备。而除了致冷器外也有其他同样属于极端少数使用的降温手法,例如使用液态氮冷却,或直接把电路板泡入液体槽去运作。另一是对控制器芯片超频的意义不大,因为控制器多数时候只用来执行一件工作或少数工作,工作量固定,超频通常是为了同时执行多个工作或时多时少的工作才能获得效益,此即是为何要对处理器芯片进行超频,而鲜少有人对控制器超频。
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Raspberry Pi Pico所用的RP2040芯片
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