klooiblog

Door mux op maandag 29 januari 2007 10:27 - Reacties (3)
Categorie: -, Views: 2.522

Plank2; een computer in een plank

Omdat het kan.

Eh... Ja. Dus. Af en toe weet ik niet wat me bezielt. In de afgelopen maanden heb ik dit gemaakt:

http://tweakers.net/ext/f/fywXZmOUm5Ci7bQuMVPGNm06/full.jpg
http://tweakers.net/ext/f/XYy43sWO17qPxBckBShx7Ajl/full.jpg
Dit is de - nog niet geplamuurde/geverfde - maar functioneel complete Plank2(r)(tm)

Dit is Plank2(r)(tm). Mijn zuinigste computer ooit, verwerkt in een plank die boven ons bed hangt. Plank2(r)(tm) is een Haswell-systeem dat minder dan 4W uit het stopcontact verbruikt (scherm uit) en zo'n 10W bij normaal gebruik inclusief scherm. Desondanks is het een volledig desktopsysteem op basis van een (heftig gemodificeerd) MSI H81M-P33 moederbord, een Celeron G1820 dualcore, 8GB RAM en een SSD. Naast de computeronderdelen hangen er ook zelfontworpen speakers en versterker aan en zitten er twee zelfontworpen USB-volumeknoppen in de plank verwerkt. En last but not least: Plank2 is enkel te besturen via de telefoon.

Nogmaals: omdat het kan.

Ontstaansgeschiedenis
Het project Plank2 is ooit heel lang geleden ontstaan toen ik een discussie had met een audiofiele vriend van me die me e.e.a. aan audioelektronica liet zien. Menigeen weet misschien wel dat ik niet zo'n fan ben van apparaten die nodeloos tientallen watts staan te verstoken, en daarnaast vond ik de gemiddelde receiver, versterker en verdere audioapparatuur aardig lomp en groot. Ik grapte zijdelings dat ik een kwalitatief betere versterker makkelijk in ťťn van de planken zou kunnen verwerken waarvan zijn speakers gemaakt waren. Dit idee is om de ťťn of andere reden in m'n hoofd blijven zitten.

Dit is niet alles. Ik heb de afgelopen 2 jaar aardig wat geŽxperimenteerd met allerlei dingen die ik wel eens in de praktijk wilde proberen te brengen. Zo ben ik aardig druk bezig geweest met passieve computerkoeling, heb ik veel ervaring opgedaan met het zuinig maken van computers, heb ik geklooid met thin ITX moederborden en meest recent ben ik bezig geweest met het ontwerpen van verschillende randapparatuur voor computers, waaronder MADPSU. Plank2(r)(tm) leek een geweldige speeltuin om dit allemaal eens in te verwerken.

MADPSU en andere producten

Waarom Plank Twee? Nou, zoals met al mijn projecten: dit is de opvolger van Plank. Plank was een MDF plank, letterlijk, die aan de muur hing boven het bed van m'n vorige huis. Op Plank zaten allerlei handige dingen om bij het bed te hebben: een lampje, USB-poorten om m'n apparatuur mee op te laden en/of om randapparatuur in te steken voor de computer die naast het bed stond, etc. Het was een goed concept, hoewel enigszins amateuristisch afgewerkt.

Mijn slaapkamer
Plank 1. Niet echt imposant vergeleken met Plank2...

Bij het betrekken van ons nieuwe huis - nu inmiddels 2 jaar geleden - wilden we dus weer een Plank. Totnogtoe was het er niet van gekomen; het is een flink project en zoveel vrije tijd heb ik niet. Maar nu moest het toch eindelijk wel eens gebeuren. De tussenoplossing - een kleine mini-ITX computer op het nachtkastje met een projector ernaast - gaf toch erg veel dradentroep.

http://tweakers.net/ext/f/5dktkxGlEtIU2A4Lef6ONKNq/full.jpg
Pre- en post-opruiming na het installeren van Plank2. Een stuk minder troep!

Dus.

Eh.

Systeemoverzicht

Hier is een overzicht van wat er allemaal in dit high-tech stuk hout zit. De elektronica beschrijf ik bij de onderstaande kopjes nog eens in detail, maar het is wellicht ook interessant om het houtwerk te beschrijven. Plank1, oude Plank, was een stuk MDF. Hoewel dat lekker goedkoop en makkelijk te bewerken is met minimaal gereedschap, trekt het snel krom bij temperatuur- en luchtvochtigheidsschommelingen en is het niet mooi af te werken. Ik had echter nog een - aan de onderzijde flink beschadigd - grenen bureaublad liggen dat precies de juiste maat had. De ideale kandidaat!

Dit blad is 145x55x2,8cm. De computeronderdelen heb ik er min of meer op het oog in gefreesd met behulp van - bij gebrek aan een werkende eigen frees - geleende Bosch bovenfrees van een vriend (waarvoor nogmaals dank!). Het was een stuk netter geweest als ik dit met een CNC-frees had gedaan (wat waarschijnlijk wel mogelijk was geweest), maar alleen al aan meet- en tekenwerk had dit gegarandeerd meer tijd gekost. Al het freeswerk bij elkaar kostte me maar driekwart dag.

http://tweakers.net/ext/f/nKsvpckPObu0172uFIMoBqY8/full.jpg

http://tweakers.net/ext/f/z9Zqqsq7V7e8Vz9p4HnbdpnA/full.jpg

http://tweakers.net/ext/f/Ab5deABL3SQ0AUoOn2KVHRzq/full.jpg

http://tweakers.net/ext/f/Pb0Ru16lhj4QgWJnZky3WQBT/full.jpg

De speakers zijn gemaakt uit twee aan elkaar gelijmde blokken 65x80mm houten balk, welke ik met behulp van een papieren sjabloon en vervolgens wederom grootendeels op het oog heb bewerkt tot de vorm die ze nu zijn. Dit heb ik grootendeels met de elektrische schaaf en bandschuurmachine gedaan, en de finishing touches met de muis-schuurmachine. Het idee achter de vorm is dat er Logitech T20 II-speakerdrivers in passen (omdat ze mooi zijn en goed geluid geven), en geen hoeken hebben waar we ons aan kunnen bezeren in bed. De vorm van de speakers gaat vloeiend over in de plank zelf.

Excuses voor de kwaliteit van de foto's; mijn telefoon is blijkbaar een aardappel in het donker.
http://tweakers.net/ext/f/XLEZvP5iAsXWzCUypTXACXbw/full.jpg

http://tweakers.net/ext/f/1YaBLUojPu8cKspwqnOdUyiu/full.jpg

http://tweakers.net/ext/f/kx5X7bOrhjqf4FvrNrbcuM9m/full.jpg

http://tweakers.net/ext/f/HVsD1JuJ7UaoClhisplKiLNh/full.jpg

http://tweakers.net/ext/f/vzLtu47Z8M2aiX9z6F3iH2sB/full.jpg

Het geheel is momenteel nog niet af! Alles zit functioneel in elkaar, maar het moet visueel nog netjes afgewerkt worden. Ik twijfel nog een beetje hoe, en ik hoor graag jullie ideeŽn. Zie ook helemaal onderaan deze blogpost.

De 4W Haswell-computer
Het onderdeel in Plank2(r)(tm) waar ik het meest trots op ben is de computer zelf. Ik heb in het verleden het e.e.a. aan zuinige computers gemaakt, maar mijn beste gepubliceerde resultaat totnogtoe was 6W AC cq. 5W DC. Voor het geval je het niet volgt: DC betekent nŠ de voeding (dus zonder de verliezen in de voeding of adapter), AC betekent uit het stopcontact. DC is een goede manier om computers onderling te vergelijken, omdat je variatie in de efficiŽntie van de voeding negeert. AC is wat er uit het stopcontact getrokken wordt en waar je dus voor betaalt.

Plank2(r)(tm) is mijn eerste sub-4W computer. Dat wil zeggen: idle, zonder randapparatuur en met het scherm UIT verbruikt de computer zelf - moederbord, CPU, geheugen en SSD - 2,95W DC en 3,9W AC. Dit is vrijwel identiek aan een moderne ultrabook. Ook in normaal gebruik (scherm aan, USB-apparaten ingeplugd) is het een hele zuinige computer: 5,5W DC cq. 7W AC. Inclusief de picoprojector die in onze slaapkamer dient als scherm zitten we nog steeds nŤt onder de 10W: 9,6W AC. Een volledige desktopcomputer met alles erop en eraan voor minder dan 10W. En dan te bedenken dat ik 3 jaar geleden nog blij was met alleen de cpu, idle, zonder scherm onder de 10W! Onder maximale belasting vebruikt de computer 27,5W DC om 32W AC.

Plank2 haalt deze efficiŽntie doordat ik dit keer rŁcksichtlos heb zitten hakken in het moederbord. Alles wat ik niet persť nodig had is eraf gesloopt. Als basis heb ik een MSI H81M-P33 moederbord gebruikt - het goedkoopste Haswell-moederbord dat je momenteel kunt krijgen. Waarom het goedkoopste? Om te laten zien dat zuinig niet duur hoeft te zijn en omdat ik zowat niks nodig had op deze computer. Overclocken? Nope. Meer dan 2 geheugenslots? Nope. Er zitten maar 3 USB-apparaten aan - vrij permanent - dus een bijzonder grote selectie I/Os had ik niet nodig. De enige eis was eigenlijk dat het Haswell was en dat ik brood zag in het modden. Met m'n uitgebreide ervaring met MSI-moederborden was dit een no-brainer. Dus, ik heb het bord besteld en direct met wat geheugen en een Celeron G1820 aan MADPSU gehangen:

http://tweakers.net/ext/f/UOgXOCWL5qDEkrS8EbNF0d6l/full.png
Klik voor een grotere versie. Rechts staat het totaalverbruik (DC), links is een grafiek van het verbruik in de loop van de laatste 15 seconden. De computer is niet echt rustig aan het zijn en springt tussen idle en een klein beetje belasting, maar te zien is dat het minimumverbruik ongeveer 6.8W is

Pff, wat een onzuinig bord. Waardeloos. Vervolgens heb ik alles eraf gesloopt wat niet nodig was. En hoewel dit al het meest gestripte moederbord is dat je kunt kopen, zaten er nog steeds een paar nodeloze chips op. De audio codec en RS-232 driver vlogen er in ieder geval direct af. Ook stripte ik de nutteloze extra fase van de CPU VRM af en heb ik de ISL95812 VRM driverchip - waarvan ik bijzonder genoeg een compleet toepassingsschema kon vinden - zo zuinig mogelijk getuned. Nadat ik het RAM ook op 1.35V had gezet slingerde ik MADPSU aan en bekeek ik het resultaat:

http://tweakers.net/ext/f/moxgmaTRucN9lCgxyNKrmeM0/full.png
Klik voor een grotere versie. Zelfde als voorheen, maar nu met meer modificaties. Het verbruik op de 5V-lijn is heel hard gedaald door het modificeren van de RAM VRM, en dit zorgde voor de bulk van de vebruikswinst ten opzichte van de beginsituatie.

Dit is hoe zuinig Fluffy2 was, mijn totnogtoe breedst gepubliceerde prestatie. Niet goed genoeg. Ik ging rigoureuzer aan de slag: de PCH undervolten, alle VRMs eens goed onder de loep nemen en ook nog het e.e.a. met het BIOS klooien. Op dit punt verbruikte het geheel zo weinig dat ik - ondanks de verbruikspiek tijdens het opstarten en afsluiten van Windows - de CPU zonder enige koeling liet draaien. Probleemloos.

Plaatjes van MADPSU missen vanaf dit punt, omdat ik ook de computer omgebouwd had naar 12V only, in plaats van een volledige ATX-voeding. De benodigde 5V en 3.3V op het moederbord genereerde ik met custom dc/dc converters. De metingen gingen dus door met de multimeter en twee power meters. Eindresultaat:

http://tweakers.net/ext/f/6b0FByx0MXVBlW1Mbkx8VOXJ/full.jpg

Mede doordat ik toegang had tot complete documentatie van de CPU VRM - die vrijwel altijd van die irritante piepjes produceert (coil whine) - heb ik het bovendien voor elkaar gekregen om deze computer volledig stil te krijgen. Dit door een combinatie van het aanpassen van de feedback compensation op de VRM controller en het toepassen van een hoge kwaliteit shielded inductor in plaats van MSI's 'dark choke' prutinductoren. Daarover gesproken, ik heb nog leuke plaatjes van het moederbord zelf.

http://tweakers.net/ext/f/EhZ5gcvZfh3NZxT8GKPakOgT/full.jpg
Het gemodificeerde moederbord zelf.

http://tweakers.net/ext/f/SIelr6MyUGt0oVEbU9dfQLYE/full.jpg
Het wordt nogal een bende als je zo extreem gaat modden...

http://tweakers.net/ext/f/ZRRbzyQbKKDGSzCv3B5QvP2h/full.jpg
De LAN/USB-connectorcombinatie was te groot. Wat doe je dan? Juist, je trekt de printplaat die in de connector zit uit het metaal, soldeert hem plat op het moederbord en soldeert daar vervolgens weer de ethernetkabel aan vast. Logisch toch?

http://tweakers.net/ext/f/rVRr7ABG37gADd8cHV87aJCq/full.jpg
Zo maak je een haakse SATA-connector!

Koeling
Had ik al gezegd dat Plank2(r)(tm) de slaapkamercomputer is? Dit ding moet stil zijn. Als in: helemaal stil. Niet een beetje geluid, geen piepjes, geen low-rpm fan. Helemaal stil. Passieve koeling is dus de enige optie. De computer zit gesandwiched tussen een muur en een plank, dus erg veel opties heb ik niet: de enige passieve koeling die ik kan doen is simpelweg het verspreiden van de warmte over zoveel mogelijk oppervlak zodat het hout - dat niet heel goed warmte geleidt, maar wel een beetje - de warmte kan opnemen. Daarom heb ik bij de Karwei een geribbelde aluminium overgangsstrip gehaald (die van een zachte doch zeer warmtegeleidende aluminiumlegering is gemaakt) en een oppervlak ter grootte van ongeveer een ĶATX-moederbord beplakt met het spul. Om de warmte van de CPU naar deze 'warmteverspreider' te krijgen gebruik ik een platte heat pipe. De rest van het moederbord is geheel ongekoeld, inclusief de chipset. Het koper op de binnenlagen van het moederbord zorgt voor meer dan genoeg warmteverspreiding vanuit deze onderdelen.

En na twee avonden gebruik te hebben gemaakt van Plank2 kan ik melden dat dit uitstekend werkt. De combinatie van weinig warmteontwikkeling en het passieve 'koelblok' maakt dat de CPU niet boven de 50 graden komt bij normaal gebruik. Ook een stresstest van 1,5 uur linpack laat de temperatuur niet hoger dan 85 graden stijgen.

Plank2-audioversterker en wekker
Eerder schreef ik dat ik de audiochip van het moederbord van Plank2 had gesloopt; maar ik heb aan de andere kant wel weer speakers gebouwd. De speakers worden echter niet door de computer, maar door een zelfontworpen versterkermodule met USB DAC aangestuurd. De reden hiervoor is dat onboard audio altijd het probleem heeft dat interferentie vanuit de CPU hoorbaar doordreunt in het audiosignaal. Zelfs na het toepassen van een notch filter op onze vorige slaapkamercomputer, Dennis2, was er nog steeds constant een hoorbaar gerommel op de speakers dat erg storend was. Daarom heb ik dit keer dus bewust gekozen voor een USB DAC.

http://tweakers.net/ext/f/JxpNOL5oW3o4tSgHlkdR9ID3/full.jpg

Plank2's audio bestaat uit een PCM2704C DAC gekoppeld aan een TPA3110 en TPA3111 klasse-D audioversterker. Dit zijn onderdelen die ik specifiek heb uitgekozen op een combinatie van lage inherente ruis en een hoge PSRR. Deze laatste term staat voor Power Supply Rejection Ratio, en is een maat voor hoeveel 'last' de DAC en versterker hebben van ruis en interferentie op hun voedingslijnen. Dit is superbelangrijk als je een computer dichtbij hebt, omdat computers veel ruis produceren op de voedingslijnen wat met minder goede componenten zou leiden tot de eerder beschreven rommel en piepjes in de audio.

Naast de DAC en versterker zit nog een microcontroller die via USB geconfigureerd kan worden. Afgezien van wat opstartsequenties is de microcontroller voornamelijk verantwoordelijk voor het instellen van een wekker. Op een instelbare tijd kan de microcontroller via zijn DAC een audiosample injecteren in het signaalpad van de DAC en zodanig als wekker functioneren.

USB-volumeknop


http://tweakers.net/ext/f/dZX0kGpEVpVCFlPL2yoPV8el/full.jpg

Het laatste apparaat in Plank2, en de enige fysieke inputmogelijkheid voor de computer is een set volumeknoppen. Eťn aan elke zijde van het bed. Opvallend genoeg is er nog niet echt iets op de markt wat hierop lijkt, dus ik heb het maar zelf ontworpen. Dit is precies wat je verwacht: een rotary encoder en een USB microcontroller. De microcontroller gebruikt het bekende project LUFA om een media-apparaat over USB te spelen, en met wat eenvoudige firmware zet het draaibewegingen aan de encoder om in 'volume up' en 'volume down'-keypresses. En, niet onbelangrijk, wanneer je de knop indrukt mute hij het geluid helemaal.

Naast het volume regelen is een andere functie van de volumeknoppen ook om te dienen als fysiek wake-upsignaal voor de computer. Wanneer de computer in slaapstand gaat kan hij opgewekt worden met de volumeknop.

Het is nog niet klaar!

Zoals je wel kunt zien, is Plank2(r)(tm) nog niet echt... heel mooi. Alles functioneert goed, maar het geheel moet nog afgewerkt worden. Onze slaapkamer is ingericht met witte en blauwe kleuren, dus gezien de muur en het bed al wit zijn leek ons het meest voor de hand liggende om Plank2(r)(tm) blauw te kleuren. In ieder geval moet er een vrij dekkende kleur worden gebruikt gezien de speakers uit een ander soort hout zijn gemaakt, dus beits o.i.d. zou niet mooi staan. Bovendien kan ik dan de overgangsrandjes netjes afwerken met plamuur. Maar wie weet zijn er betere ideeŽn - ik ben niet zo creatief met kleuren.

Daarnaast gebruik ik momenteel als volumeknoppen poepgrijze draaiknoppen die ik nog had liggen van een eerder project. Deze vloeken werkelijk met alles. Wat zal ik hieraan veranderen. Alleen de spuitbus eroverheen? Compleet andere knoppen 3d-printen? Alles is mogelijk.

Als laatste mist er nog e.e.a. aan praktische verbruiksdata. Ik hoor graag van jullie waar jullie in geÔnteresseerd zijn; verbruik tijdens het kijken van een filmpje? Verbruik tijdens gaming? Zeg het maar, in de volgende post gooi ik het er allemaal bij - met wat vergelijkingen met m'n andere computers.

In ieder geval hoop ik dat je dit een leuke build vond. Ik heb me in ieder geval eindeloos vermaakt met alles van het concept tot de uitwerking van de individuele onderdelen. Plank2 is momenteel nog in testmodus; voordat ik alles definitief ga afwerken wil ik zeker weten dat alles betrouwbaar en naar wens functioneert. Ergens tussen Sinterklaas en Kerst wordt het geheel volledig afgewerkt en volgt een tweede blog.