Raspberry Pi 5, évolution ou révolution ?

Les méandres de l'espace de rédaction sont parfois mystérieux. La rédaction de certaines dépêches s'étalent parfois sur de long mois, parfois sans même comprendre pourquoi la dépêche ne part pas vers le stade de la publication. C'est ce qui est arrivé à cette dépêche qui ne suit donc pas autant qu'elle aurait pu l'actualité de la sortie de la nouvelle mouture de la microcarte de la Fondation Raspberry Pi, qui porte le nom très original de Raspberry Pi 5. Cette dépêche - qui nous offre une comparaison de cette nouvelle édition avec son illustre ancêtre ainsi qu'une investigation de ses nouveautés - reste substantielle et il nous a semblé qu'il valait mieux la publier même tardivement plutôt que de la plonger dans l'oubli éternel.

Sommaire

• Comparaison entre Raspberry Pi 4 et Raspberry Pi 5
• Détail des améliorations de la Raspberry Pi 5
  • Raspberry Pi 5 : Nouveau South Bridge RP1 vs Raspberry Pi 4
    • Architecture du South Bridge RP1
    • Sources des informations sur le RP1
  • Impacts du RP1
  • Évolution des performances
    • performances des I/O
    • Interfaces USB et Ethernet
    • Interfaces MIPI CSI/DSI
• Les points discutables/discutés
  • Le réarrangement de la carte
  • Le non réarrangement de la carte
  • Les limites du format carte de crédit

Cette dépêche ne traitera pas de l’ensemble de ce que l’on peut faire, la précédente dépêche sur les SoC faite pour la sortie de la Raspberry Pi 4 est toujours d’actualité en ce qui concerne ces sujets.

Comparaison entre Raspberry Pi 4 et Raspberry Pi 5

Sorti en 2019, le RPi4 avait fait forte impression—mais quasiment en constante pénurie entre 2020 et 2023, il commençait par accuser le coup par rapport à la concurrence du Rockchip RK3588 (Quad-core Cortex-A76 + Quad-core Cortex-A55).

Aussi, la Raspberry Pi 5 introduit des avancées significatives par rapport à la Raspberry Pi 4, dont le Tableau 1 présente une synthèse des différences.

Composants	Raspberry Pi 4	Raspberry Pi 5
SoC	Broadcom BCM2711	Broadcom BCM2712
CPU	Quad-core Cortex-A72 (1.8 GHz)	Quad-core Cortex-A76 (2.4 GHz)
GPU	VideoCore VI (500 MHz)	VideoCore VII (800 MHz)
Mémoire	1, 2, 4, 8 GB LPDDR4-3200 SDRAM	4, 8 GB LPDDR4X-4267 SDRAM
Wi-Fi	Dual-band 802.11ac	Dual-band 802.11ac
Bluetooth	5.0, BLE	5.0, BLE
USB	2 USB 3.0, 2 USB 2.0, 1 Type-C port	2 USB 3.0, 2 USB 2.0, 1 Type-C port
Stockage	MicroSD	MicroSD (SDR104⟹R/W↗ˣ²) + ligne PCIe pour NVME M.2 SSD
Ethernet	Gigabit Ethernet	Gigabit Ethernet
Puissance	Jusqu’à 7.5 W	2 modes : jusqu’à 15 W et jusqu’à 25 W
Gestion HDMI	2 HDMI 2.0 (1 gérant 4k@60 Hz)	2 HDMI 2.0 (tous les deux gérant 4k@60 Hz)
Format vidéo	H.264 (AVC)	H.265 (HEVC)
PCIe	Non	1 lane PCIe pour périphériques haute performance
Bouton d’alimentation	Non	Oui

Tableau 1 : comparatif des Raspberry Pi 4 et 5

Détail des améliorations de la Raspberry Pi 5

La Raspberry Pi 5 introduit des avancées significatives par rapport à la Raspberry Pi 4, en particulier avec l’introduction du southbridge RP1. Voici une comparaison détaillée mettant en évidence les principales différences et l’impact du RP1 :

• Processeur : La Raspberry Pi 5 est équipée d’un CPU ARM Cortex-A76, une amélioration substantielle par rapport au Cortex-A72 trouvé dans la Raspberry Pi 4. Cette mise à niveau fait que la Pi 5 est deux à trois fois plus rapide que son prédécesseur.
• RAM : La Raspberry Pi 5 utilise de la LPDDR4X-4267 SDRAM, nettement plus rapide que la LPDDR4-3200 SDRAM utilisée dans la Pi 4. Cette amélioration offre plus de bande passante, contribuant à des performances globalement plus rapides.
• Puissance graphique : La Raspberry Pi 5 dispose d’un GPU VideoCore VII plus puissant, cadencé à 800 MHz et prenant en charge OpenGL ES 3.1 et Vulkan 1.2. C’est une avancée par rapport au GPU VideoCore VI de la Raspberry Pi 4, qui prend en charge OpenGL ES 3.1 et Vulkan 1.0. Le GPU de la Pi 5 comprend également un nouveau processeur de signal d’image pour la gestion des données des caméras.
• Chip RP1 Southbridge : La puce RP1 est une innovation majeure dans la Raspberry Pi 5. Elle agit comme un southbridge, gérant la plupart des fonctions I/O (entrée/sortie), réduisant ainsi la charge sur le CPU. Cela permet une augmentation de la bande passante I/O, bénéficiant aux dispositifs de stockage, USB et autres périphériques.
• Vitesse des cartes MicroSD : Le port microSD de la Pi 5 prend en charge le mode haute vitesse HDR 104 avec les cartes microSD UHS-1, offrant des vitesses de lecture de 80-90 Mbps, soit le double de la vitesse de 40-50 Mbps de la Pi 4.
• Ports USB : Dans la Raspberry Pi 5, chacun des deux ports USB 3.0 dispose d’une bande passante dédiée de 5 Gbps, grâce à la puce RP1. C’est une amélioration par rapport à la Pi 4, où les deux ports USB 3.0 partageaient la bande passante de 5 Gbps.
• Connecteur PCIe : La Pi 5 inclut un connecteur PCIe (PCI Express), une nouvelle addition répondant à la demande pour des interfaces plus rapides. Cependant, l’interface PCIe de la Pi 5 n’est pas un connecteur M.2 standard ; elle nécessite un câble ruban pour se connecter à un HAT, et le dispositif M.2 se connectera au HAT. Caractéristiques
• Un bouton marche/arrêt : Eh oui, on est quand même dans le 3ᵉ millénaire ;-)
• Alimentation : Tout comme la Raspberry Pi 4, la Raspberry Pi 5 utilise un connecteur d’alimentation au format USB Type-C. En revanche, doublement de la puissance oblige, la puissance nécessaire à son fonctionnement passe de 7.5 W à 15 W, il faudra donc une alimentation en 3A minimum pour être tranquille. À noter que si vous souhaitez utiliser des périphériques externes qui consomment beaucoup comme des disques durs ou SSD, il est conseillé d’avoir une alimentation de 25 W (5A). La Raspberry Pi détecte si l’alimentation fournit plus de puissance et passe la limite de consommation USB à 1,6A au lieu de 1,2A.

Raspberry Pi 5 : Nouveau South Bridge RP1 vs Raspberry Pi 4

Le RP1 est un contrôleur d’entrée/sortie (I/O) conçu pour le Raspberry Pi 5, représentant le programme d’ingénierie le plus complexe et coûteux entrepris par Raspberry Pi, avec un développement s’étendant sur plus de sept ans et ayant coûté environ 25 millions de dollars. Ce contrôleur est le premier produit phare de Raspberry Pi à utiliser une puce conçue en interne​.

Architecture du South Bridge RP1

— Description : Le RP1 est un southbridge de 12×12 mm avec un pas de 0.65 mm en BGA (Ball Grid Array), fournissant la majorité des capacités d’E/S pour la Raspberry Pi 5.
— Caractéristiques : Il comprend un point de terminaison PCIe 2.0 à 4 voies, un contrôleur Ethernet MAC Gigabit et deux contrôleurs hôtes USB 3.
— Améliorations : Plus du double de la bande passante USB utilisable par rapport à la Raspberry Pi 4.
— Documentation RP1 : RP1 Datasheet

Sources des informations sur le RP1

— L’article d’Eben Upton pour annoncer le RP1 : RP1 : the silicon controlling Raspberry Pi 5 (ce court article est accompagné d’une vidéo YT de 35 minutes à ce sujet, mais dont le contenu est reproduit textuellement en suivant un lien)
— Lien direct vers la vidéo YT : RP1 : the silicon controlling Raspberry Pi 5

Impacts du RP1

Le RP1 constitue une avancée importante, puisque les GPIOs “physiques” de la carte ne sont plus directement reliées aux GPIOs du microprocesseur et de leurs fonctions possibles (SPI/I2C/UART/I2S) attribuées par le fondeur dans le silicium.

1. Connectivité principale : Le RP1 se connecte à un processeur d’application (AP) via un bus PCIe 2.0 x4, consolidant de nombreux contrôleurs numériques et PHYs analogiques pour les interfaces externes du Raspberry Pi 5​​.
2. Contrôle du trafic : Le tissu interne du RP1 permet de prioriser le trafic en temps réel de la caméra et de l’affichage sur le trafic non en temps réel de l’USB et de l’Ethernet. Des signaux de qualité de service (QoS) sur le lien PCI Express soutiennent la priorisation dynamique entre le trafic provenant du RP1 et le trafic des maîtres de bus en temps réel et non en temps réel au sein de l’AP​​.
3. Fonctionnalités supplémentaires : Pour une flexibilité maximale des cas d’utilisation, le RP1 dispose de plusieurs fonctionnalités telles qu’un contrôleur DMA à huit canaux pour les périphériques à basse vitesse, trois PLL intégrées pour la génération d’horloges vidéo et audio indépendantes, un convertisseur analogique-numérique à cinq entrées, 64kB de SRAM partagée, et des générateurs de base temporelle pour le rythme de la DMA ou pour le debouncing des événements GPIO​​​​.
4. Gestion des contrôleurs de bus : Les modules de régulation intégrés à chaque port de contrôleur de bus permettent de surveiller ou de limiter leur comportement. Ces modules régulent le flux de données selon le nombre de transactions en attente, assurent le respect des limites d’adresses AXI et PCIe, et disposent de compteurs statistiques pour évaluer la qualité de service ou les performances.
5. Interfaces clés externes : Le RP1 fournit des interfaces externes clés telles que deux contrôleurs XHCI indépendants connectés à un seul PHY USB 3.0 et un seul PHY USB 2.0, deux contrôleurs de caméra MIPI CSI-2 et deux contrôleurs d’affichage MIPI DSI connectés à deux PHY transceivers MIPI DPHY à 4 voies partagées, et un contrôleur d’accès média (MAC) intégré pour l’Ethernet Gigabit​​​​.
6. Compatibilité et évolution : Le RP1 maintient la compatibilité avec la gamme de fonctions offerte sur le Raspberry Pi 4 Model B, tout en permettant une évolution vers des processus de géométrie réduite, sans avoir à reproduire tous les éléments analogiques du système. Cela pourrait permettre à changer plus facilement de fournisseur de SoC.

Évolution des performances

Afin de permettre de mieux visualiser les évolutions des performances Alasdair Allan a fait un benchmark complet dont certains éléments sont repris ici.

Tout d’abord une analyse des performances du CPU avec geekbench. Les Figures 1 et 2 montrent une augmentation des performances en single core d’approximativement 2.2x,

Figure 1. : Comparaison des performances single core entre RPi4 et 5

Figure 2. : Comparaison des performances multi core entre RPi4 et 5

Compilation de différents benchmarks entre RPi 4 et 5

Benchmark	Unités	Raspberry Pi 4	Raspberry Pi 5	Augmentation de Performance
Sysbench Mono-Thread	MBps	699	1041	x1,49
Sysbench Multi-Thread	MBps	2794	4165	x1,49
Stress-ng Mono-Thread	op/s	104,78	182,68	x1,74
Stress-ng Multi-Thread	op/s	413,12	737,21	x1,78
Bzip Mono-Thread	secondes	44,98	20,53	x2,19
Bzip Multi-Thread	secondes	28,59	14,36	x1,99
Gimp Redimensionner	secondes	67,01	29,95	x2,24
Gimp Rotation	secondes	77,24	32,77	x2,36
Gimp Niveaux Auto	secondes	80,52	34,64	x2,32
Gimp Masque Flou	secondes	115,16	49,71	x2,32
Speedometer 2.1	score	20,5	62,5	x3,05
Glmark2	score	97	202	x2,08
Openarena Timedemo	FPS	8,77	27,05	x3,08
RAMspeed Écriture	MBps	4391	29355	x6,69
RAMspeed Lecture	MBps	5902	27931	x4,73
HDparm Lecture	MBps	43,81	90,05	x2,06
dd Écriture	MBps	34,49	61,23	x1,78
Iozone 4 K Écriture RAND	MBps	9,38	15,22	x1,62
Iozone 4 K Lecture RAND	MBps	4,71	4,6	x0,98
Temps de démarrage	secondes	33,4	19,1	x1,74

performances des I/O

La Figure 3. issue du travail d’Adafruit permet de mettre à jour le graphique sur la vitesse performance de la commutation des I/O proposé dans la dépêche sur la RPi4. La Figure 4. quant à elle montre une légère amélioration de la performance par Watt sur le nouveau modèle.

Figure 3. Évolution de la vitesse de commutation d’une sortie numérique

Figure 4. Évolution de la performance en fonction de la puissance électrique

Interfaces USB et Ethernet

— Interfaces: Le RP1 fournit deux interfaces USB 3.0 et deux interfaces USB 2.0, ainsi qu’un contrôleur Ethernet Gigabit.
— Source: Circuit Digest – The New Raspberry Pi 5 is here

Le Gigabit Ethernet fourni par le RP1 est en tout point semblable à celui du RBPi4 (voir : RP1 : the silicon controlling Raspberry Pi 5:

Liam 13:21: So we’ve got the Ethernet MAC but not the PHY. So the Ethernet’s brought out to an RGMII interface, which then connects to an on-board Ethernet PHY.

Eben 13:35: And this is a fairly similar architecture to Raspberry Pi 4, except that in that case, the MAC was in the Broadcom device, but there was still an external – in fact exactly the same external – PHY, [BCM]54213. Cool. So that’s the overall structure of the design.

Interfaces MIPI CSI/DSI

Ces interfaces d’entrée/sortie vidéo peuvent être qualifiées d’historiques dans l’écosystème RaspberryPi puisqu’elles sont présentes depuis la version 1. Le RBPi5 apporte toutefois une nouveauté assez remarquable par rapport à ses prédécesseurs : au lieu d’avoir un port CSI (pour une caméra) et un port DSI (pour un écran), les ports du RBPi5 peuvent être configurés pour l’une ou l’autre fonction. Malheureusement, cela s’est traduit par des changements notables au niveau de la disposition des composants sur la carte, qui ne sont pas sans susciter quelques grincements de dents parmi les utilisateurs.

Les points discutables/discutés

Le réarrangement de la carte

— Le port audio a disparu, pour laisser sa place au port MIPI DSI (qui peut faire CSI à présent), lui-même remplacé, au-dessus du lecteur de carte microSD, par un connecteur FPC exposant les lignes PCIe.
— le port DSI est passé de 15 pins à 22 pins (comme sur la carte CMIo4)
— Et, encore une fois, les ports Ethernet et USB ont été inversés.

Si cela ne pose pas de problèmes particuliers pour un utilisateur lambda, de nombreux projets basés sur les cartes RasperryPi à la recherche de performance de calcul (et donc potentiellement intéressés par ce nouveau RBPi5) doivent entièrement revoir la conception de leur matériel.

Le non réarrangement de la carte

C’est un reproche que l’on peut trouver dans de nombreux témoignages : mettre un HAT (carte d’extension) sur un RBPi, juste au dessus du CPU, c’est un non-sens en termes de refroidissement (et ce, quelle que soit la version du RBPi).
Mais, pour relativiser, on peut dire la même chose de quasiment toutes les autres solutions alternatives au RBPi.

Les limites du format carte de crédit

Ce format (86x56 mm) est devenu une référence pour presque tous les acteurs du monde des SBC. Et donc, il s’agit là aussi d’un constat plus général, non spécifiquement adressé à RaspberryPi. Mais sachant que ce sont les locomotives du marché, peut être pourraient-ils initier une nouvelle approche…
Certes, ce format permet d’élaborer des solutions compactes, mais l’on peut constater :

— qu’augmenter la puissance et les fonctionnalités des puces embarquées tout en restant sur ce format conduit à un gaspillage inutile de ressources : il est en effet impossible d’implémenter toutes les fonctionnalités matérielles proposées par les puces sur une si petite surface, et par ailleurs il devient difficile de refroidir efficacement le système.
— pour exposer le port PCIe, RaspberryPi a supprimé le port audio, déplacé le port DSI ; mais pour alimenter le bouzin, il vous faut du 5V 4A. Ensuite un peu tout le monde se trouve planté là : débrouillez-vous.