Raspberry-Pi 5 : découverte et exploration technique.

Bonjour à tous,

Le "Raspberry-Pi Partner Event 2023" fût très intéressant. En tant que Approved Reseller, nous découvrions le tout nouveau Raspberry-Pi 5 et ses possibilités.

Nous sommes très heureux de vous présenter quelques détails croustillants de la toute dernière création de la fondation Raspberry-Pi annoncée ce 28 sept. 2023 par Eben Upton.

Raspberry-Pi 5 @ MCHobby

Une fois encore, la fondation à réussi à nous surprendre avec de nouvelles fonctionnalités que nous allons détailler tout au long de cet article.

Pour commencer, ce Pi 5 est 2 à 3 fois plus puissant rien qu’au niveau processeur.

La plateforme bénéficie aussi de nombreux apports techniques (PCI express, RP1, double caméra) et optimisations logiciels permettant de soutenir des performances du nouveau SoC.

Avec le Pi 4, la fondation avait passé un cap technologique important.
Avec le Pi 5, la fondation réitère une nouvelle fois cette prouesse. Le Pi 5 passe en mode Godzilla (oui, rien de moins que cela).

Des performances dignes d’un ordinateur, vous allez voir, ça décoiffe.

Résumé des nouveautés du Pi 5

Commençons par un résumé des caractéristiques… de quoi mettre l’eau à la bouche. Le graphique ci-dessous reprend les principales nouveautés du Raspberry-Pi 5.

Raspberry-Pi 5 - résumé des nouveautés

Le Raspberry-Pi 5 en détails

Le Pi garde les mêmes dimensions et le lecteur expérimenté remarquera immédiatement que le facteur de forme à changé. Si les ports USB-C sont restés au même endroit, le port Gigabit Ethernet et ports USB2 ont été échangés d’emplacement !

Un nouveau CPU à 2.4 GHz

Broadcom BCM2712

Sur le RPi5, Un nouveau CPU fait son apparition, le Broadcom 2712 cadencé à 2,4 Ghz (16nm).

Depuis le Pi 4, l’accent est clairement placé sur la gestion et la dissipation d’énergie. Ces efforts permettent maintenant de monter sereinement en fréquence de 1,5 Ghz ⇒ 2,4Ghz.

Ce CPU reste toujours un 4 coeurs avec des Cortex A76 avec un jeu d’instruction ARMv8 (anciennement A72 pour le Pi 4). Il augmente les performances de 2 à 3x par rapport à ses prédécesseurs. Une montée en puissance impressionnante.

Ce CPU dispose de deux mémoires caches L1 de 64 Ko (données et instructions) pour chaque coeur. Cette cache est accompagné d’une mémoire L2 de 512Ko par coeur. Enfin une mémoire cache L3 de 2Mo est partagée entre tous les coeurs.

Le processeur Broadcom 2712 dispose d’un total de 4Mo de mémoire répartie sur les 3 niveaux de mémoire cache.
L’évolution des processeurs 486 et Pentium avait démontré, en son temps, l’importance cruciale de cette mémoire cache sur les performances brutes du processeur.

Le graphique ci-dessous reprend une comparaison de performance entre des Cortex A73 (génération après celle du Pi 4) et des Cortex A76 (du Pi 5). Le processeur offre déjà, à lui seul, un gain impressionnant en performance.

Source : AnandTech :Cortex A76 Promises

Il faudra réaliser des tests entre un Pi 4 et un Pi 5 pour obtenir des données plus fiables.

Un nouveau VideoCore

Le GPU passe de la version 6 (Pi 4) à la version 7 (Pi 5, VideoCore VII) apportant aussi un gain de performance qui sera utile pour le traitement graphique et caméra.

A 1 Ghz, ce VideoCore VII est 2 à 2,5 fois plus performant que la génération précédente. Ce qui permet d’obtenir un taux de rafraîchissement plus élevé (IPS=Images Per Seconde) étant donné que ce GPU est capable de traiter 1 GigaPixels par seconde.

Grâce à ce gain de puissance, le Pi 5 est capable de soutenir un affichage bureau fluide sur deux écrans 4K (sans LAG à 4Kp60) ! J’ai même testé un film en 4K sur un écran entier en baladant les fenêtre du bureau entre les deux écran… cela reste fluide même sur le processeur monte à 90 % pour répondre à ma fantaisie.

Les performances accrues du VideoCore permettent de soutenir des rendu vidéo avec une charge processeur réduite.

Le VideoCore VII supporte OpenGl 3,1 ES, Vulkan 1.3 . Le GPU propose un meilleur modèle HVS (HVS=Human Visual System). HVS est un algorithme de calcule de l’erreur visuelle (ex : erreurs de diffusion) permettant ainsi la manipulation de l’image de sorte à en améliorer la netteté (comme l’oeil le fait du fait de sa caractéristique filtre passe-bas).

Grâce a ses nouvelles performances, le Pi 5 est maintenant capable de réaliser un filtrage HDR logiciel presque en temps réel.

Software HDR avec Camera HQ

Cette capacité de traitement permet d’utiliser une caméra HQ avec filtre HDR logiciel pour obtenir un résultat HDR sur une image de 12 Mégapixel.

RAM en LPDDR4X

Pour sa part, la RAM est de la LPDDR4X (plutôt que de la DDR4). La RAM LPDDR4X est un module mémoire à faible consommation (0,6V à 1,1V). Le suffixe X indique que la fréquence d’horloge utilisée peut atteindre 4267 Mhz (4,16 Ghz). Reste à savoir quel est la vitesse d’horloge utilisée sur le bus mémoire.

Les premiers Raspberry-Pi 5 seront distribués avec 4 et 8 Go de RAM.

Il est également prévu d’avoir des modèles 1 et 2 Go mais il est fort probable que cela ne concerne que des applications très spécifiques vu la puissance disponible sous le capot.

Parmi les petites amélioration, la fondation a ajouté un indicateur permettant d’identifier plus facilement la quantité de RAM installée sur le Raspberry-Pi.

Identification de la quantité de RAM

 

C’est un indicateur, donc inutile changer le composant de position, cela ne changera rien.

Pas encore du 16 Go en vue mais… toutes les lignes d’adresses et de données sont présentes. L’utilisation de modules de 16 Go fera donc partie du futur, c’est une évolution naturelle !

Pour l’heure les modules de 16 Go ne sont pas encore utilisable sur un Pi 5. Inutile de tenter un upgrade 16 Go, ce n’est pas encore au point !

PCI Express 2.0

Sur le Pi-5, le bus PCI Express 2.0 x1 (2007) est maintenant accessible sur un connecteur FPC 0,5mm 16 broches.
Il permettra d’atteindre des débits théoriques de 250 à 500 Mo/s.

• Certifié PCIe Gen 2
  
• Fonctionnel PCIe Gen 3 - Non certifié - réclame un petit hack
• Pas de ligne USB sur le connecteur PCIe
  

Port PCIe 2.0 sur Raspberry-Pi 5

Là où l’on aurait espéré connecteur M.2 pour y brancher un SSD, la fondation opte pour une approche résolument ouverte puisque cela permettra d’y brancher nombre de périphériques différents !

Ce bus ouvre bien des possibilités pour le Pi 5 :

• Disque M.2 PCI – voir HAT M.2 pour Raspberry-Pi 5 disponible en fin 2023

• Carte son PCI
• Carte Graphique PCI
• Carte Contrôleur PCI (Sata, SCSI, IDE, etc)
• Carte d’acquisition PCI (signaux ou scanner)
• Carte RAID PCI (stockage avec redondance).

Les performances permettront probablement de supporter un agrégateur PCI pour y connecter plusieurs cartes PCI.

Les prochains mois risque de voir apparaître de très nombreuses extension PCIe pour Raspberry-Pi5.

Remarques :

• Le bus PCI Express est apparu sur le Raspberry-Pi 4 mais était inaccessible. Grâce à lui il était possible de soutenir un début de 900 Mb/s en Gigagbit Ethernet et des débits USB-3 très honorables.

• Le Raspberry-Pi 5 dispose d’un vrai bus PCI accessible par l’utilisateur et par l’OS. Ce bus PCI sera donc supporté par la fondation qui fournira aussi des pilotes PCI.

Un Hat M.2 en arrivage

La fondation travaille déjà sur un HAT M.2 qui devrait être disponible fin 2023. Le prototype est déjà finalisé et en cours de test intensif à la fondation.

Le Hat M.2 permet de brancher un SSD M.2 PCIe ou un SSD NVME sur le port PCIe du Raspberry-Pi 5.

L’ensemble est conçu pour maintenir un profil très bas et l’ensemble rentrera probablement dans le boîtier officiel.

J’ai eu l’occasion de discuter des performance du prototype avec l'un des testeurs. Il semblerait que le taux de transfert soit impressionnant à tels point que l’OS se charge en quelques secondes !

Double connecteur MiPi

Vous les connaissez déjà sous le nom de port Camera CSI et port Display DSI.
Jusqu’ici ces ports MiPi étaient spécialisés et leur fonction invariable.

Avec le Pi 5, chacun des ports pourra être utilisé comme port caméra ou port d’affichage via l’un des deux connecteurs FPC 0.5mm 16 contacts (comme le connecteur PCI).

C’est le ruban spécialisé « cam » ou « display » connecté sur le port qui déterminera l’usage du port (caméra ou afficheur).

Connecteur MiPi sur le Raspberry-Pi 5

 

Il est désormais possible d’avoir l’une des combinaisons suivantes :

• 2 caméras

• 2 afficheurs
• 1 caméra + 1 afficheur

Toutes les caméras de la fondation peuvent être utilisées sur le Pi 5 il faudra juste utiliser l’un des rubans adéquat (les rubans pour Pi 5 ont un côté plus étroit). 

Ruban CSI et DSI - comparaison Pi4 & Pi 5

Deux caméras permettront d’élargir le champs de vision ou disposer d’une vue stéréoscopique (vue en 3D).

Deux écrans peuvent permettre d’afficher plus d’information mais aussi de créer un système de vision stéréoscopique.

Horloge Temps Réel (RTC)

Jusqu’à maintenant, il était impossible pour le Raspberry-Pi de rester à l’heure alors même qu’il était hors tension.

Pour les machines disposant d’une connexion Internet, il est possible de contourner le problème à l’aide de NetTime (outil de synchronisation du temps via réseau).

Pour les machines déconnectées, il fallait donc ajouter une horloge RTC externe qui, grâce a sa propre pile, était capable d’égrainer le temps indépendamment du Raspberry-Pi.

Les choses changent puisque le Raspberry-Pi 5 dispose d’une RTC et d’un connecteur pour pile bouton.

Connecteur pour Pile RTC rechargeable

Cela offrira de l’opportunité d’avoir des système Raspberry-Pi déconnectés pouvant rester autonome sans matériel supplémentaire (hormis une pile).

 

L’horloge temps réel est pris en charge par le gestionnaire d’alimentation (PMIC=Power Management Integrated Circuit), ce qui permet aussi de redémarrer le Pi sur base d’une alarme.

Il est donc possible d’éteindre le Pi en prévoyant son redémarrage futur. Très pratique pour les systèmes enfouis ou distant pour lesquels la consommation énergétique doit être gérée avec soin.

L’alarme n’est pas le seul évènement à permettant le redémarrage d’un Pi, il est également possible de procéder au réveil grâce à un gpio du PMIC (ce que démontre le point suivant).

Bouton Marche/Arrêt

Longtemps attendu, voici enfin le bouton marche/arrêt !

Raspberry-Pi 5 - Bouton Marche/Arrêt

Ce bouton sera surtout utilisé comme bouton d’arrêt étant donné que le Pi démarre automatiquement à la mise sous-tension.

Lorsque le Pi est en fonctionnement, presser une fois sur ce bouton affiche immédiatement les options d’arrêt de l’OS. 

Si l’utilisateur presse une seconde fois le bouton, le Pi 5 s’éteint immédiatement.

La fonction marche/arrêt du Raspberry-Pi 5 est prise en charge par le gestionnaire d’alimentation (PMIC). Avec l’alarme RTC, le bouton branché sur le GPIO du PMIC est le deuxième événement permettant d’activer/arrêter le Raspberry-Pi.

Nous avons la chance de disposer d’un Raspberry-Pi 5 pour effectuer nos tests.
Arrêter son Pi5 en utilisant un double-click est une habitude qui se prend très vite et avec une certaine satisfaction.
Simple, rapide et efficace… je ne peux déjà plus m’en passer !

Pour les bidouilleurs:

Une pincée de hacking permet de déporter le bouton hors de la carte  (ou utiliser une autre méthode d’activation).

Ajouter un bouton on/off externe

Il est également possible de hacker le bouton sous la carte. Bien que petite, la piste est plus accessible.

Capture du bouton on/off sous la carte

La LED RGB/RVB du Pi 5

Bien que très discrète, la LED juste à côté du bouton est une LED RGB/RVB.

Cette LED :

• Passe au rouge durant le démarrage initial ! Ce qui est utile lorsque le Pi est mis-sous-tension.

• Deviendra verte clignotante pour signaler l’activité disque.
• Enfin, passera a nouveau au rouge lorsque le PI est arrêté (shutdown).

Raspberry RP1 : I/O southbridge du Pi 5

Estampillé avec une Framboise, ce composant conçu par la fondation est destiné à décharger le SoC de la gestion des entrées/sorties sur la plateforme Raspberry-Pi. 

RP1 - I/O Southbridge du Raspberry-Pi 5

Sur une architecture PC, ce composant s’appelle un SouthBridge et dispose généralement d’une très large bande passante permettant ainsi d’assurer un débit optimal avec les différents les périphériques qu’il gère.

Grâce à ce SouthBridge, le Raspberry-Pi 5 est capable d’assurer un débit de 5 Gbps simultanément sur les deux ports USB 3.

Le RP1 est également utilisé pour gérer d’autres périphériques à haut-débit comme l’Ethernet Gigabit, modules Camera et Display, PCI 2.0, 2x contrôleur USB 3.
Enfin, le RP1 prend aussi en charge les périphériques/bus à bas débit comme le GPIO et différents bus qu’il utilise (gestion I/O, SPI, I2C, UART, ...).

Le graphique ci-dessous reprend les principales fonctionnalités du RP1.

 

Le RP1 n’a rien a envier au SoC car il en faut de la puissance pour gérer tout ces flux de façon optimal.

Le lecteur attentif remarquera que tout le potentiel de ce composant n’est pas encore exploité sur le Pi 5… Nulle doute qu’il anticipe déjà l’avenir.

Mon seul regret est que le support analogique ne soit pas encore présent sur le Pi 5 (fonctionnalité similaire à celle du RP2040 mais pas encore au point pour la sortie du Pi 5).

Alimentation USB-C PB

Nouveau gestionnaire d’alimentation Dialog DA9091 permet de prendre en charge les alimentations USB-C (du Pi 4) et la nouvelle alimentation USB-C PD.

PMIC - Power Managemennt IC

Les alimentations PD (Power Delivery) permettent au Raspberry-Pi de négocier la tension d’alimentation utilisée sur la câble USB-C.

Vous vous en doutez, le Raspberry-Pi 5 s’accompagne d’une alimentation PD capable de délivrer 27W au Raspberry-Pi 5. 

Alimentation Raspberry-Pi 27W USB-C PD compatible

 

Cette alimentation est capable de délivrer 5A sous 5V au Raspberry-Pi 5.

Cette alimentation conçue comme un produit générique peut être utilisé avec d’autres produits « PD Compatible ». En effet, ce bloc d’alimentation est capable de délivrer 5V @ 5.1A, 9V @ 3A, 12V @ 2.25A, 15V @ 1.58A .

Au démarrage du Pi5, le type d’alimentation branchée sur le Raspberry-Pi est testée.

• Alimentation USB-C PD : alors les vannes sont ouvertes sur les ports USB autorisant un courant jusqu’à 1,6Amp.

• Alimentation USB-C : s’il s’agit d’une alimentation standard (non Power Delivery) alors le courant est limité sur les ports USB (500mA).

Avantage de l'USB-C PD:

Il permet de brancher des périphériques plus énergivore sur le Raspberry-Pi sans recourir à une alimentation externe ou un HUB USB.
Il devient donc très facile de monter un NAS en utilisant une seule alimentation.

Notification d'alimentation:

Une notification est affichée sur le bureau du Raspberry-Pi si l’alimentation n’est pas capable de délivrer 5A sous 5V. Cette notification reste affichée aussi longtemps que l’utilisateur ne clique pas dessus.

Les autres de problèmes d’alimentations seront aussi source de notification sur le desktop. A noter qu’un BrownOut provoquant un redémarrage de la plateforme affichera un message popup au prochain démarrage.

HDMI et 4K60p

La vidéo 4K était déjà présente sur le Raspberry-Pi 4, celle-ci présentait des comportements lacunaires lorsqu’elle était repoussé dans ses retranchement.

Il n’était d’ailleurs pas vraiment envisageable d’utiliser un Bureau étendu sur deux écrans 4K.

Le VideoCore VII et le SoC BCM7212 permettent d’atteindre un traitement de 1 Gigapixel/seconde. J’ai eu le plaisir de tester un double bureau 4K fluide sur Raspberry-Pi 5 tout en gardant une charge processeur relativement faible.

Le support 4K60p n’est pas surfait d’autant qu’il y a un support HDR.

Il est même possible de visionner une vidéo 4K en mode fenêtré dans un double bureau 4K tout en préservant une grande fluidité de l’interface (même si le processeur est très sollicité ~90 % CPU).

Que dire encore :

• Support OpenGL ES 3.1

• Support Vulkan 1.2
• Décodeur HEVC 4K 60p

C’est le monde des MediaCenter et Electronic Signage qui pourront profiter de ces nouvelles limites.

WiFi et Bluetooth

Côté WiFi et Bluetooth, le tandem antenne PCB à cavité et module WiFi Raspberry sont encore utilisé sur le Pi5. 

Le débit WiFi est maintenant doublé par rapport au Pi 4. Ce n'est pas un luxe.

Ainsi, le Raspberry-Pi 5 dispose de :

• un WiFi 802.11ac 2,4 Ghz et 5 Ghz

• Bluetooth 5.0
• Bluetooth BLE

Comme sur les modèles précédent, il existe un emplacement pour permettre la connexion d’un connecteur µFl. Gardez bien à l’esprit qu’une telle opération annule la certification RF (que vous devez reconduire). 

Module WiFi du Pi5 et emplacement µFl

Ventilateur

Le Raspberry-Pi 5 est maintenant équipé d’un connecteur 4 broches permettant de raccorder directement un ventilateur sur le Raspberry-Pi.

Emplacement du connecteur FAN / Ventilateur
sur le Raspberry-Pi 5

 

Ainsi, le connecteur permet à la fois de contrôler la vitesse du ventilateur et de relever la température.
Grâce à ce connecteur, il est très facile de raccorder un ventilateur compatible.

Si le système d’exploitation détecte la présence du ventilateur (oui, il est capable de le faire) alors ce dernier est automatiquement activé.

Pour l’heure, il existe deux ventilateurs officiels :

1) Le ventilateur du boîtier officiel

Avec son ventilateur plus grand que le ventilateur du Pi 4, ce dernier est aussi beaucoup moins bruyant.

Boitier Officiel Raspberry-Pi 5

2) Active cooler officiel de la fondation

Pour les systèmes maintenu a forte charge, la fondation a également prévu un refroidisseur actif qui se clipse directement sur la carte du Raspberry-Pi 5.

Ce refroidisseur est en autre équipé de pastilles en Silicone de différentes hauteurs permettant de refroidir les différents composants sur la carte.

Active Cooler pour Raspberry-Pi 5

Boitier officiel Raspberry-Pi 5

Si de nombreux éléments et côtes du Raspberry-Pi 5 restent identique à ses prédécesseurs.

Avec le bouton marche/arrêt et le déplacement du port Ethernet, le Raspberry-Pi 5 présente donc un facteur de forme différent !

Cela signifie aussi qu’il y a un nouveau boîtier officiel mais celui-ci n’est pas une pâle copie de son prédécesseur.

L’image ci-dessous essaye de résumer au mieux toute l’ingéniosité apportée dans le développement de ce boîtier pour Raspberry-Pi 5.

Les nombreuses améliorations sont rendue possibles grâce à un volume intérieur plus important.

Boitier Officiel Raspberry-Pi 5

Rien n’empêche d’enlever la protection transparente pour y placer un Hat.

Ceci dit, utiliser un « stacking header pour Raspberry-Pi » permettra aussi de placer le HAT au dessus du couvercle transparent puisque ce dernier contient un découpe au dessus du GPIO.

Personnellement, l’idée que j’apprécie le plus c’est la possibilité d’empiler les boîtiers en utilisant des entretoises en Nylon. Il est maintenant possible de faire un Cluster de Raspberry Pi 5 out-of-the-box.

Boitiers Officiels Raspberry-Pi 5 empilés

PoE : Alimenter via Ethernet

La fonctionnalité Power-Over-Ethernet existe toujours sur le PI 5. Mais comme le port Ethernet à changé d’emplacement, le connecteur PoE se trouve aussi de l’autre côté de la carte.

Plutôt que de re-concevoir un Nième HAT PoE, la fondation a opté pour une carte PoE en forme de L.

HAT PoE Plus pour Raspberry-Pi 5

 

Avec cette forme, le module peut prendre place dans le boîtier en laissant assez de place pour le ventilateur et la pile RTC (sous le couvercle semi-transparent).

Encore mieux, grâce au connecteur GPIO traversant, il est possible d’opter pour un GPIO Stacking (Low Profile) permettant de reporter les GPIOs au dessus du Hat PoE. Se faisant, il est alors possible de brancher un Hat.

Port UART

Le Raspberry-Pi 5 se voit aussi offrir un port libellé « UART ». 

Port UART sur le Raspberry-Pi 5

 

Il s’agit d’un UART dédié et indépendant du GPIO du Raspberry-Pi. Il sert dans un premier temps à l’envoi des messages de débogage lors du démarrage du système.

Il est donc possible d’y voir les messages du bootloader (ce qui n’est clairement pas aisé sur un Raspberry-Pi 4) envoyés à 115200 bauds 8N1.

Par la suite, cet UART peut être utilisé soit comme :

• Port série additionnel pour vos propres applications (GPS, Modem, etc).

• Port console TTY permettant d’obtenir une ligne de commande sur le système.

Le mode d’utilisation de ce port sous Raspberry-Pi OS est configuré par l’outil « Configuration du Raspberry-Pi » (menu démarré | Préférences). Voir volet « Interfaces ».

Ce connecteur correspond à ceux utilisés sur le Debug Probe produit par la fondation pour le Pico.

Raspberry Debug-Probe

Accès carte SD plus rapide

Dans les améliorations relatives aux performances du Pi5, le firmware support maintenant le mode SDR104 portant le débit à 100 Mo/s.

Dans les faits, le débit peut être encore supérieur suivant la qualité de la carte SD utilisée.

Nous avons eu l’occasion de tester l’écriture séquentielle à 32 Mo/s sur nos cartes Kingston, ce qui déjà un bel upgrade pour l'écriture (ce qui présage d'un débit en lecture proche de 100 Mo).

Il est un fait certain que les I/O avec la carte SD sont nettement plus performant. Le chargement de de Raspberry-Pi OS « BookWorm » semble plus rapide de façon significatif. 

Numéro de série 

Chaque Raspberry-Pi 5 dispose maintenant d’un numéro de série unique gravé sur le Pi et sur son emballage.

LA fondation et son circuit de revendeurs peuvent maintenant améliorer la traçabilité de ses Raspberry-Pi. Un peu comme le circuit de la viande qui permet de remonter toute la chaîne de distribution en cas de problème.

Encore plus loin

Raspberry-Pi OS "BookWorm"

La fondation a produit un effort considérable dans la mise-à-jour du système Raspberry-Pi OS.

Le matériel plus performant s’accompagne aussi d’optimisations impressionnantes autour du système d’exploitation. Ces éléments seront traités dans un second article.

Les produits dérivés du Pi 5

Avec la sortie du Raspberry-Pi 5 équipé du SoC BCM2712 et RP1 d’autres questions naissent naturellement.

Un Raspberry-Pi 500 ?

Vous vous doutez bien que la fondation travaille sur un Pi500, digne successeur du Pi400.

Par contre, ce n’est pas pour tout de suite, il y a encore pas mal de travail. Vous constaterez que le Raspberry-Pi 5 présente aussi un dégagement de chaleur plus important que le Pi 4, il faudra donc pouvoir l’extraire hors du boîtier.

Un Compute Module 5 ?

Pas du tout maintenant ! Le Compute Module 4 va encore rester prédominant sur le marché pendant un bon moment.

Où acheter

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• Raspberry-Pi 5 8 Go RAM
• Raspberry Pi 5 4 Go RAM 
• Boitier officiel pour Raspberry-Pi 5
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