Энтузиаст добился снижения вариативности частоты NTP-сервера на базе Raspberry Pi на 81% с помощью термостабилизации процессора. Система поддерживает медианное отклонение 38 наносекунд от GPS PPS-референса при дрифте частоты в пределах ±0.14 PPM. Проблема заключалась в том, что колебания температуры CPU влияли на кварцевый генератор, создавая джиттер синхронизации времени.
Автор проекта отслеживал работу системы через дашборды Grafana и заметил корреляцию между колебаниями частоты и изменениями температуры CPU. GPS PPS-сигнал оставался стабильным, но дрифт частоты варьировался в диапазоне около 1 PPM в течение дня по мере нагрева и охлаждения устройства. RMS offset в среднем составлял 86 наносекунд, при этом современные CPU используют динамическое масштабирование частоты для экономии энергии.
Решение состоит из двух компонентов: изоляция CPU 0 для критичных задач синхронизации времени и термостабилизация через PID-контроллер. CPU 0 резервируется эксклюзивно для процесса chronyd и PPS-прерываний, остальные три ядра выделены под термическую нагрузку. PID-контроллер считывает температуру CPU и управляет тремя worker-процессами на CPU 1-3, поддерживая целевую температуру 54°C через чередование MD5-хеширования и сна.
Оптимизация привела к снижению вариативности частоты на 81%, стандартного отклонения частоты на 77%, диапазона частоты на 74% и RMS offset на 49%. При активации термостабилизации 17 ноября 2025 года в 09:10 колебания частоты немедленно затухли и стабилизировались в узкой полосе. Система достигла этих результатов при том, что Raspberry Pi находится в корпусе с суточными колебаниями температуры окружения от 18.9°C до 22.2°C.
В установившемся режиме медианный RMS offset составляет 38 наносекунд от GPS PPS-референса, при этом дрифт частоты остается в пределах ±0.14 PPM против ±0.52 PPM до оптимизации. Компромиссы решения включают энергопотребление 3-4 Вт, использование трех из четырех ядер на уровне около 30% средней загрузки и поддержание CPU на уровне 54°C. Автор отмечает, что для большинства применений такая точность избыточна, но проект имеет смысл для научного оборудования, исследований распределенных систем и радиоастрономии.
Источник новости и обложки: austinsnerdythings.com