Кластер Raspberry Pi 4 с водяным охлаждением

В этой статье мастер расскажет, как он собрал кластер используя восемь одноплатных компьютеров Raspberry Pi 4. Отличительной особенностью сборки является водяное охлаждение устройства.
Водяное охлаждение одного Pi не имеет особого смысла, но это довольно эффективное решение для кластера. Один большой вентилятор значит меньше шума и меньше цена.
Для тех, кто не знает, что такое кластер Pi, по сути, это набор из двух или более Pis, которые соединены вместе по сети и работают вместе для выполнения вычислительных задач, распределяя нагрузку.
Инструменты и материалы:
-Raspberry Pi 4B (используется модель 2 ГБ)- 8 шт.;
-16-портовый сетевой коммутатор TL-SG116;
-Зарядный USB-концентратор;
-Сенсорный монитор HD;
-Комплект водяного охлаждения;
-Радиатор охлаждения 8×30 мм;
-Сетевой кабель — 8 шт;
-Кабель USB C — 8 шт;
-Светодиодная лента — 3 метра;
-Нейлоновые стойки;
-Комплект винтов M3;
-МДФ 600×600 мм;
-Термопаста;
Шаг первый: изготовление кронштейнов радиаторов
Мастер начал с изготовления 8 акриловых кронштейнов, которые фиксируют радиаторы. Он вырезал кронштейны лазером из полупрозрачного красного акрила толщиной 3 мм.
Затем вырезал алюминиевую прокладку, которая устанавливается между радиатором и Raspberry Pi. Она нужна, чтобы приподнять немного радиатор, так как штуцеры радиатора упираются в разъем на плате. Чтобы улучшить теплопроводность при сборке, между проставкой и радиатором, нанес термопасту.
Шаг второй: установка радиаторов
Затем он установил радиаторы на Raspberry Pis. Также наносит термопасту перед сборкой. Как видно на фото, к плате прикручиваются проставки, с помощью которых она затем будет крепится к основанию.
Шаг третий: планирование и разметка схемы кластера
Кластеры Raspberry Pi традиционно строятся по схеме расположения друг над другом с некоторым зазором. Такая компоновка не совсем подходит в данном случае и не особо бросается в глаза. Он хотел попробовать построить что-то немного другое, что-то, что отличало бы устройство от других и могло быть закреплено на стене.
Перебрав несколько вариантов компоновки он в конце концов остановился на радиаторе и вентиляторе в центре, с четырьмя Pi с каждой стороны. Резервуар охлаждающей жидкости и насос будут находиться внизу кластера, а переключатель Ethernet — вверху.
Как только был спланирован макет, он начал отмечать расположение компонентов на МДФ. Размер листа примерно 600 Х 600 мм.
Он подключил кабель Ethernet и кабель питания USB к одному из Pi, чтобы убедиться, что между ними достаточно свободного пространства для прокладки кабелей.
В середине кластера над радиатором был явный зазор. Старый сенсорный дисплей, который он использовал в предыдущем проекте, идеально вписался в этот пробел. Этот дисплей может быть полезен для отображения статистики или показателей производительности кластера или даже для запуска базовых сценариев с одного из портов USB Pi.
Шаг четвертый: основание
Затем он спроектировал акриловое основание для каждого блока.
Каждое основание состоит из двух слоев акрила, нижнего слоя красного цвета и верхнего черного. Основания имеют отверстия для четырех точек крепления, и более крупное отверстие посередине для прокладки кабеля питания от Pi к задней части платы.
ОН вырезал две части из полупрозрачного красного акрила и непрозрачного черного акрила, а затем склеил их вместе с помощью акрилового клея.
Дополнительно он спроектировал и вырезал несколько держателей для кабелей и трубок, чтобы облегчить их крепление.
Сначала он попытался связать кабели Ethernet вместе, но это выглядело неаккуратно.
Также разработал кронштейн для удержания трубки охлаждающей жидкости.
Шаг пятый: панель
Дальше мастер приступает к изготовлению панели или корпуса, на котором будут располагаться все комплектующие.
Он вырезал квадрат, а затем обрезал четыре угла под диагонали. С помощью гравера с дисковой пилой вырезает два отверстия посередине: одно для вентилятора, а другое — для прокладки кабеля к дисплею.
Затем он просверлил все монтажные отверстия. Приклеил столярным клеем три деревянных бруска 20×40 мм к задней части МДФ, это панели жесткость и отодвинет от стены.
Вырезал кольцевой пилой отверстия для кабелей от Рассбери. Затем покрасил панель черной краской.
Шаг шестой: сборка
Когда краска высохла, мастер приступил к сборке.
Как упоминалось ранее, он использовал винты M3x8mm, чтобы закрепить каждую кластер Pi к панели.
Установил 8 Pi, затем компоненты охлаждения и переключатель. Установил светодиодную ленту RGB, чтобы она освещала стену позади кластера. К ленте в комплекте есть пульт дистанционного управления с различными цветами дисплея и вариантами затемнения, мастер установил красный оттенок.
Затем подключил кабель USB C к каждому Pi и пропустил их через отверстия в основании и к задней части платы. Установил USB-концентратор, а затем подключил Pi к доступным портам. Ему пришлось использовать разветвитель для двух последних разъемов, так как концентратор имел только 6 портов.
Он не уверен, хватит ли мощности концентратора для работы всех 8 Пи. Официальный источник питания для Pi 4 — это 3-амперный источник питания. Но, судя по опыту, он не видел, чтобы Pi работал с током более 1 А. При необходимости всегда можно добавить второй концентратор позже.
Затем он подключил кабель Ethernet к каждому Pi, проложил их по бокам, протянул их через отверстие за дисплеем, и вставил в коммутатор.
Затем отрезал трубку нужной длины и установил их на фитинги.
Контур охлаждающей жидкости (воды) представляет собой последовательный контур, что означает, что вода течет от одного Pi к другому, прежде чем вернуться в резервуар. У такой схемы есть один главный недостаток, заключающийся в том, что Pi охлаждаются при разных температурах. Первый радиатор получает самую холодную воду, и вода становится все более теплой по мере прохождения через каждый радиатор, причем через последний течет самая теплая вода.
Другой вариант предполагает, размещение их всех параллельно. Но в этом случае нужно было бы добавить клапан к каждому радиатору, чтобы скорости потока была сбалансирована. В противном случае вполне вероятно, что Pi, наиболее удаленная от насоса, получит небольшой поток воды или вообще не получит его.
Как только трубопровод был готов, мастер установил дисплей.
Все кабели были проложены через заднюю часть панели, где они были затем смотаны и связаны.
Шаг седьмой: заполнение контура водой и окрашивание
Теперь нужно заполнить систему водой.
Он положил кластер на бок, чтобы резервуар стоял вертикально, а затем наполнил его. Питание Pi во время заполнения было выключено, но ему пришлось пару раз включить насос и вентилятор, чтобы вода попала в радиатор и трубки.
При заполнении была одна небольшая утечка на входе в первый блок охлаждающей воды, по-видимому из-за резкого поворота к радиатору. Утечку он устранил, используя кабельную стяжку в качестве хомута.
В конце он добавил немного красного колера к воде, чтобы подчеркнуть охлаждающие трубки.
Шаг восьмой: тестирование
Мастер установил ОС одну из карт для Raspberry Pi главного кластера, который был подключен к дисплею, а затем 7 копий Raspberry Pi OS Lite для других устройств.
Он не вдается в подробности программной части кластера в этой сборке, так как она в значительной степени зависит от того, что пользователь собирается делать с кластером, какие задачи выполнять.
Подготовка SD-карт проводилась в основном для проверки работы устройства, правильно ли загружается Pis, имеют ли достаточную мощность, как работает в сети.
Пришло время включить устройство и дождаться загрузки операционной системы. Все 8 Рассбери загрузились нормально с первого раза и сразу подключились к сети.
Сенсорный дисплей тоже работал хорошо. Он немного мал для повседневного использования, но его можно использовать для запуска приложений, выполнения сценариев и отображения основных данных. В качестве примера мастер запустил сценарий мониторинга температуры процессора.
Все готово, а на видео ниже можно посмотреть весь процесс сборки данного устройства.