Der Raspberry Pi, insbesondere der neue Raspberry Pi 5, verbraucht auffällig viel Energie, sobald man ihn abschaltet. Das hat einen Grund und es gibt eine Möglichkeit, wie man den Stromverbrauch massiv reduzieren kann – um ca. Faktor 180 beim Raspberry Pi 5. Alles dazu erfährst du in diesem Beitrag. Alles wurde mit einem Raspberry Pi 5 und dem offiziellen Raspberry Pi OS 12 getestet.
So viel Strom verbraucht der Raspberry Pi 5 nach der Abschaltung
Fährt man den Raspberry Pi 5 über den von GNU/Linux bekannten Weg mit sudo shutdown -h now herunter, liegt der Stromverbrauch weiterhin bei etwa ungefähr 1,7 – 1,8 Watt. Erst wenn der USB C Stecker am Raspberry Pi abgezogen wird, d.H. lediglich das Netzteil ist ohne Last eingesteckt, sinkt der Verbrauch auf 0 Watt. Dies sind in der Realität natürlich keine 0 Watt, sondern liegen liegen außerhalb des minimalen Messbereichs. Jedenfalls ist der Stromverbrauch eines Netzteiles, an dem keinerlei Last angeschlossen ist, extrem niedrig und liegt weit unter ~1,8W. Dies scheint unverhältnismäßig viel, nachdem er im Leerlauf etwa 3W verbraucht. Somit benötigt ein ausgeschalteter Raspberry Pi mehr als halb so viel, wie folgende Messung zeigt. Beim deutlich sichtbaren Knick wurde er heruntergefahren.
Augenscheinlich ist zumindest das darauf laufende GNU/Linux wirklich abgeschaltet: Man kann es weder über angeschlossene Eingabegeräte, noch per SSH weiterhin bedienen.
Woher stammt dieser hohe Stromverbrauch?
Mehr Informationen liefert ein Datenblatt zur aktuellen HAT+ Spezifikation.1 Sie stammt vom Dezember 2023 und soll die vorherige HAT Spezifikation (ohne Plus) ablösen. Grundsätzlich richtet sie sich an Entwickler von Erweiterungsplatinen: Dort soll sie als Grundlage dienen, damit es zu keinen Problemen kommt. Interessant ist Kapitel 3, das die Energiezustände beschreibt:
Wenn wir herunterfahren, versetzt das den Raspberry Pi in den WARM_STANDBY Modus. Der Weg ist dabei unerheblich: sudo halt ist letztendlich eine Art Alias für sudo shutdown -h now. Sowohl beim Nutzen der grafischen Oberfläche, als auch des physischen Ein/Aus Tasters des neuen Raspberry Pi 5 landet er in diesem Modus – und wird dabei gar nicht komplett abgeschaltet. Zwar fährt das Betriebssystem herunter, doch die 3,3V und 5V Schienen werden weiterhin mit Strom versorgt. Das Netzteil muss für Teile des Boards also noch Energie liefern, was unsere gemessenen ~1,8W erklärt.
Warum schaltet sich der Raspberry Pi nicht vollständig ab?
Diese Frage stellt man sich wahrscheinlich als nächstes – schließlich bringt es wenig erkennbaren Mehrwert. Außer für Anwendungsfälle wie z.B. Wake-on-LAN. Dafür stellen X86 PCs ebenfalls über ein kleines, sparsames Netzteil dem Board weiterhin vergleichsweise wenig Strom zur Verfügung, um das System so wieder starten zu können. Das erfordert jedoch ein weiteres, laufendes Gerät und dürfte kein Anwendungsfall für die Mehrheit der Nutzer sein.
Warum es dafür 3,3V und 5V braucht? Tatsächlich hat der Raspberry Pi 4 ursprünglich die 3,3V Schiene abgeschaltet, sodass nur 5V mit Strom versorgt wird. Dies hat jedoch Probleme mit manchen HATs verursacht.2 Daher wurde dies geändert: Der PMIC (Baustein für die Energieversorgung) bleibt komplett aktiv. Als Kollateralschaden verbraucht bereits der Raspberry Pi 4 im ausgeschalteten Zustand mehr Energie, als in den wohl meisten Fällen nötig wäre.
Der Bereitschafts-Modus
Interessante Randnotiz: Der Raspberry Pi 5 ist von der Hardware her Suspend to RAM fähig.34 Das kennt ihr wahrscheinlich von diversen Desktop-Betriebssystemen, möglicherweise als Bereitschaftsbetrieb: Dabei wird der Systemzustand in den Arbeitsspeicher gelegt. Anschließend schaltet das System möglichst alle anderen Komponenten (Prozessor, SSD/Festplatte usw) ab, um Energie zu sparen. Der RAM muss aber weiterhin mit Strom versorgt werden – als flüchtiger Speicher verliert er ansonsten seinen Inhalt. Es gibt daher Alternativen wie den Ruhezustand, bei dem man alles auf ein persistentes Laufwerk (SSD) ablegt, sodass wirklich alles abgeschaltet werden kann.
Jedenfalls ist die Hardware des Raspberry Pi 5 dazu in der Lage, dort wird der Modus SLEEP genannt. Derzeit fehlt es allerdings noch an der Softwareunterstützung. Zuvor waren bereits verschiedene Energiespar-Modi diskutiert, allerdings als zu Aufwändig für den SoC abgelehnt worden.5 Beim Raspberry Pi 5 dürfte wohl in Zukunft neue Funktionalität in dieser Richtung zu erwarten sein.
So kannst du den Stromverbrauch senken
Glücklicherweise kann dieses Verhalten über die Firmware beeinflusst werden: Dafür hat man die Variable POWER_OFF_ON_HALT eingeführt.6 Ist sie auf „1“ gesetzt, fließt kein Strom auf der 3,3V Schiene. Dies muss in der Firmware des Bootloaders mit dem Kommandozeilenwerkzeug rpi-eeprom-config angepasst werden:
sudo rpi-eeprom-config -eStandardmäßig sieht der Inhalt auf einem Raspberry Pi 5 wie folgt aus:
[all]
BOOT_UART=1
WAKE_ON_GPIO=1
POWER_OFF_ON_HALT=0
BOOT_ORDER=0xf41Hier setzt ihr POWER_OFF_ON_HALT von „0“ auf „1“, damit der Raspberry Pi so viele Komponenten wie möglich abschaltet – heißt konkret, die 3,3V Schiene abschalten, während 5V aktiv bleibt.
Für den Raspberry Pi 4 macht es Sinn, zusätzlich WAKE_ON_GPIO=0 zu setzen. Da er keinen Taster zum Einschalten hat, kann er mittels GPIO-Pins gestartet werden. Das schaltet ihr damit ab, sodass der Pi maximal Strom sparen kann.78 Auf dem Raspberry Pi 5 ist diese Einstellung wirkungslos – er hat einen eigenen Taster und zusätzlich zwei dedizierte Ports, über die man einen externen anlöten kann.
Anschließend die Datei speichern: Falls ihr keinen anderen Standard-Editor gewählt habt, geschieht dies mit [STRG] + [X] und bestätigt das Speichern mit J für Ja (Nano). Anschließend müsst ihr den Raspberry Pi einmal neu starten, damit die Änderungen wirksam werden. Wird er nun direkt heruntergefahren, ist möglicherweise noch die alte Firmware geladen, sodass er weiterhin seine ~1,8W verbraucht. Nach dem Neustart könnt ihr ihn mit sudo halt oder sudo shutdown -h now herunterfahren. Wenige Sekunden später sinkt der Verbrauch auf 0,01W.9 Dies ist so wenig, dass wir am Netzteil 0W messen:
Das Werkzeug speichert seine Konfiguration – wie der Name vermuten lässt – im EEPROM und damit der Firmware des Raspberry Pi, nicht dem Betriebssystem.
Welche Seiteneffekte hat das?
Wie zuvor erwähnt, kann das mit manchen HATs zu Problemen kommen. Wird kein HAT eingesetzt, sind keine Seiteneffekte bekannt: Der Raspberry Pi 5 startet normal über den Taster. Beim Herunterfahren leuchtet weiterhin die rote LED, so lange der Pi „ausgeschaltet“ ist. Wobei nach diesem Beitrag klar ist: Ausschalten heißt beim Raspberry Pi nicht vollständig abschalten, sondern in Wirklichkeit nur in den WARM_STANDBY Modus versetzen.1011
Fazit
Der relative Unterschied ist riesig. Absolut gesehen mag es zunächst unwichtig wirken, ob nun 0,01W oder 1,8W benötigt werden. Jedoch gibt es Szenarien, in denen sich das bemerkbar macht: Beispielsweise, wenn der Raspberry Pi 24/7 am Netzteil angeschlossen ist, aber nur kurzzeitig gestartet wird. Oder er außerhalb des Stromnetzes über Akkus versorgt wird. Gerade dort möchte man ihn möglicherweise nicht ständig laufen lassen, um Strom zu sparen – ein geringer Verbrauch während er ausgeschaltet ist, kann hier wichtig sein.
Quellen
- https://datasheets.raspberrypi.com/hat/hat-plus-specification.pdf ↩︎
- https://forums.raspberrypi.com/viewtopic.php?p=1825272#p1825272 ↩︎
- https://forums.raspberrypi.com/viewtopic.php?t=361542#p2169686 ↩︎
- https://forums.raspberrypi.com/viewtopic.php?p=2171166#p2171166 ↩︎
- https://github.com/raspberrypi/firmware/issues/1635 ↩︎
- https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/raspberry-pi.html#POWER_OFF_ON_HALT ↩︎
- https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/raspberry-pi.html#WAKE_ON_GPIO ↩︎
- https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/raspberry-pi.html#second-stage-bootloader ↩︎
- https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/raspberry-pi-5.html#turning-it-off-and-back-on-again ↩︎
- https://raspberrypi.stackexchange.com/questions/114422/what-is-the-minimum-power-required-for-an-rpi-4-in-halt-or-shutdown/114423 ↩︎
- https://raspberrypi.stackexchange.com/questions/125168/how-to-boot-and-safely-shutdown-with-a-button-when-wake-on-gpio-0 ↩︎