Raspberry Pi in der Industrie So gelingt der Umstieg vom Raspberry Pi CM4 auf den CM5

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Raspberry Pis Compute Modules sind eine leistungsstarke und flexible Lösung, insbesondere für Anwendungen in der Industrie. Doch ein Umstieg vom Compute Module 4 auf das Topmodell CM5 hat seine Tücken und ist nicht immer sinnvoll.

Das Compute Module 4 (CM4) brachte bedeutende Fortschritte mit sich, darunter ein neues Formfaktor-Design, das seine Nutzbarkeit revolutionierte. Ende 2024 veröffentlichte Raspberry Pi das lang erwartete Update – das CM5. Damit erhalten Entwickler und Ingenieure Zugang zu noch leistungsfähigeren Funktionen wie einem schnelleren Prozessor, USB-3.0-Unterstützung und erweiterte Konnektivitätsoptionen.

Der Umstieg vom Compute Module 4 auf den CM5 erfordert jedoch eine sorgfältige Planung – sei es beim Entwurf neuer Hardware, bei der Aktualisierung bestehender Trägerplatinen oder bei der Auswahl einer Plattform für professionelle Lösungen.

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Wann der Umstieg auf das CM5 lohnt

Bevor wir näher ins Detail gehen, stellt sich zunächst die Frage: „Sollte ich überhaupt umsteigen?“

Viel wurde über die höhere Leistung des Compute Modules 5 gesprochen – sie ermöglicht sogar den Einsatz für lokale KI-Anwendungen – sowie über die verbesserte Konnektivität. Doch es gibt auch Nachteile, darunter ein höherer Stromverbrauch und eine gesteigerte Designkomplexität.

Der Umstieg auf den CM5 bietet klare Vorteile für Anwendungen, die eine höhere Leistung, schnellere Datenübertragungsraten und verbesserte Konnektivität erfordern – wie KI, maschinelles Lernen, 4K-Videobearbeitung und AR/VR.

Allerdings ist der CM5 nicht in jedem Szenario die ideale Wahl, und es gibt viele Anwendungen, bei denen das Compute Module 4 die bessere Option bleibt. Dazu gehören industrielle Steuerungssysteme mit geringen CPU-/GPU-Anforderungen, batteriebetriebene Geräte, thermisch eingeschränkte Systeme sowie Anwendungen, bei denen Kosten und Einfachheit wichtiger sind als maximale Leistung.

Überlegungen zur Migration

Vor diesem Hintergrund eröffnet der CM5 bei der Entwicklung einer neuen Trägerplatine oder der Aufrüstung eines bestehenden CM4-basierenden Systems spannende Möglichkeiten dank seiner erweiterten Funktionen. Zwar wird in einigen Artikeln behauptet, er sei größtenteils ein Plug-and-Play-Ersatz, doch gibt es wichtige Ausnahmen – insbesondere bei professionellen Anwendungen –, die sorgfältige Beachtung erfordern. Im Folgenden betrachten wir 13 zentrale Aspekte, die beim Wechsel vom CM4 zum CM5 zu berücksichtigen sind.

1. Pinbelegung

Der CM5 behält den gleichen Formfaktor von 55 mm x 40 mm wie der CM4 bei, allerdings haben sich mehrere Pin-Belegungen geändert. Dazu gehören Pin 16 (von der SYNC_IN-Leitung des Ethernet-PHY zur Fan_tacho-Leitung für die Lüftersteuerung), Pin 19 (von Ethernet rLED1 zu Fan_pwm) sowie die Pins 159, 163, 165, 169 und 171 (von DSI- zu USB-3.0-Signalen). Diese Änderungen bedeuten, dass Nutzer das CM5-Datenblatt sorgfältig prüfen und ihr PCB-Design entsprechend anpassen müssen. Wenn die Anwendung auf bestimmte GPIOs oder Peripheriegeräte angewiesen ist, sollte sichergestellt sein, dass diese mit dem neuen Pinout übereinstimmen.

2. PCIe‑Interface

Wie beim CM4 unterstützt auch der CM5 PCIe Gen 2, wobei experimentelle Unterstützung für PCIe Gen 3 ebenfalls verfügbar ist. Wenn das Design auf PCIe angewiesen ist, sollten Nutzer sicherstellen, dass die Trägerplatine die Anforderungen an Signalqualität und Stromversorgung für Gen 3 erfüllt. Außerdem ist darauf zu achten, dass die Hochgeschwindigkeits-Signalführung für PCIe den Best Practices für RF- und EMI-Leistung entspricht.

3. RAM & Speicher

Der LPDDR4-3200-RAM des CM4 wurde auf den schnelleren LPDDR4-4267 aufgerüstet, und die maximale eMMC-Speicherkapazität wurde ebenfalls von 32 auf 64 GB erhöht. Dies ist ein bedeutender Generationensprung, der zwar nicht für alle Entwickler ein entscheidender Grund für ein Upgrade sein mag, aber für jede Anwendung, die schnellen Speicher oder mehr Onboard-Speicher benötigt, unbedingt berücksichtigt werden sollte.

4. USB-Unterstützung

Eines der bemerkenswertesten Upgrades ist wohl die native Unterstützung von USB 3.0. Der CM4 verwendete noch USB 2.0, und dieses Upgrade bietet deutlich höhere Datenübertragungsraten. Entwickler sollten sicherstellen, dass die Leiterbahnen der Trägerplatine für die höherfrequenten USB-Signale optimiert sind und dass die bewährten Verfahren für RF- und EMI-Leistung eingehalten werden.

5. Display- und Kamera-Schnittstellen

Der CM5 verfügt über zwei 4-Lane-MIPI-Schnittstellen, die jeweils entweder als DSI (Display) oder CSI-2 (Kamera) konfiguriert werden können. Diese Flexibilität ermöglicht fortschrittlichere Display- und Kamera-Setups, jedoch müssen Entwickler, die diese Funktion nutzen, deren Kompatibilität mit bestehenden Modulen sorgfältig prüfen.

6. Thermisches und Energiemanagement

Abgesehen von Fragen der Hardwarekompatibilität ist auch zu beachten, dass die verbesserten Spezifikationen des CM5 zu einem höheren Stromverbrauch und einer stärkeren Wärmeentwicklung führen. Das bedeutet, dass passive Kühllösungen wie Kühlkörper, die bei CM4-Designs verwendet wurden, möglicherweise nicht mehr ausreichen, und Entwickler sollten aktive Kühlmethoden wie Lüfter in Betracht ziehen. Der erhöhte Stromverbrauch erfordert zudem, dass Designer sicherstellen, dass das Netzteil und die Spannungsregler die höhere Leistungsaufnahme bewältigen können. Darüber hinaus kann die höhere thermische Abgabe des CM5 auch Anpassungen am Gehäusedesign erforderlich machen. Daher sollten Entwickler den mechanischen Freiraum für Kühlkörper und Kühllösungen sorgfältig prüfen.

7. Betriebssystem und Kernel

Die Migration auf den CM5 erfordert auch erhebliche Softwareüberlegungen, da die neue Hardware aktualisierte Betriebssysteme, Kernel und Device Trees benötigt. Für ein 64-Bit-Raspberry-Pi-OS verwendete der CM4 das Linux-Kernel-Image „+rpt-rpi-v8“, das beim CM5 auf „+rpt-rpi-2712“ aktualisiert wurde. Es ist daher wichtig sicherzustellen, dass das Betriebssystem – sei es Raspberry Pi OS, Ubuntu, Yocto, usw. – die Hardware des CM5 unterstützt. Maßgeschneiderte Kernel werden ebenfalls wahrscheinlich aktualisierte Treiber benötigen, um die Kompatibilität mit den verbesserten Komponenten des CM5 zu gewährleisten.

8. Bootloader und Firmware

Der CM5 verwendet einen neuen Bootloader. Eine bemerkenswerte Funktion ist die Möglichkeit, den EEPROM und die Bootloader-Konfiguration direkt vom eMMC-Boot aus zu aktualisieren, was die Firmware-Verwaltung vereinfacht.

9. Änderungen am Device Tree

Der CM5 führt eine andere Device-Tree-(DTB-)Struktur im Vergleich zum CM4 ein. Ist die Anwendung auf kundenspezifische Hardware-Peripheriegeräte angewiesen, sind Device Tree und Overlays anzupassen, um die korrekte Funktionalität sicherzustellen.

10. Software-Regressionstests

Beim Umstieg bestehender Anwendungen auf den CM5 ist gründliches Testen unerlässlich, um Treiberkonflikte oder Leistungseinbußen zu vermeiden. Latenz, Bootzeiten und Systemstabilität zwischen CM4 und CM5 sind zu vergleichen, um eventuelle Probleme rechtzeitig zu erkennen.

11. Regulatorische Konformität und Zertifizierung

Ein Upgrade auf den CM5 kann Aktualisierungen der Dokumentation zur Einhaltung gesetzlicher Vorschriften erforderlich machen. Dies umfasst FCC-, CE- oder EMI-Zertifizierungen. Die wahrscheinlichsten Hardwareänderungen, die dies betreffen, sind die Nutzung von schnelleren PCIe-, USB-3.0- und Speicherbusse, die die EMI-Leistung beeinflussen können und zusätzliche Tests sowie eine mögliche Neu-Zertifizierung erforderlich machen.

12. Lieferkettenstrategie

Während der CM5 viele fortschrittliche Funktionen bietet, ist der CM4 weiterhin erhältlich und in vielen Anwendungen nach wie vor eine brauchbare – und in manchen Fällen sogar bessere – Option. Eine schrittweise Umstellung kann dabei helfen, Risiken in der Lieferkette zu minimieren und die Kontinuität bestehender Projekte sicherzustellen.

13. CM-I/O‑Board

Das CM-I/O-Board ist ein wertvolles Werkzeug sowohl für neue Designs als auch für den Übergang vom CM4 zum CM5. Es dient als Referenzdesign für die Entwicklung kundenspezifischer Trägerplatinen und bietet eine Plattform zum Testen und Vergleichen der Kompatibilität zwischen CM4 und CM5. Für viele Anwendungsfälle ist das CM4-I/O-Board mit dem CM5 kompatibel, doch kann es sich lohnen, auf das speziell für den CM5 entwickelte I/O-Board umzusteigen. Dieses bietet integrierte Unterstützung für neue Funktionen wie einen Netzschalter und einen M.2-Steckplatz für PCIe-Geräte und NVMe-SSDs.

Auswahl einer Hardware-Plattform für professionelle Lösungen

Bei der Auswahl einer Hardware-Plattform für professionelle oder industrielle Anwendungen stehen Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Leistung an erster Stelle. Unternehmen wie Sfera Labs sind auf industrielle Lösungen spezialisiert, die auf offenen Plattformen wie dem CM4 und CM5 basieren. Diese Unternehmen bieten einsatzbereite Produkte, kundenspezifische Trägerplatinen und fachkundige Unterstützung für anspruchsvolle Einsatzumgebungen. Ein Beispiel dafür ist der Strato Pi Max von Sfera Labs – eine führende Industrielösung, die sowohl mit dem CM5 als auch mit dem CM4 kompatibel ist. Die CM4-Version bleibt weiterhin sehr gefragt für Anwendungen, die nicht die erweiterten Funktionen des CM5 erfordern. Das unterstreicht, wie wichtig es ist, die passende Plattform für den jeweiligen Anwendungsfall auszuwählen. Unternehmen wie Sfera Labs bieten bewährte Industrielösungen an und können – unabhängig davon, ob Designer ein neues System entwickeln oder ein bestehendes aufrüsten – mit ihrer Expertise dabei helfen, die Komplexität der Einführung des CM5 erfolgreich zu meistern.

 (mk)

* Giampiero Baggiani war 2016 Mitbegründer von Sfera Labs und leitet heute die Softwareentwicklung.

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