Hacker tạo GPU từ 64.000 vi điều khiển giá rẻ

Thay vì sử dụng một GPU mạnh mẽ với hàng tỷ transistor như NVIDIA hay AMD, hacker phần cứng Matthias Balwierz – hay còn được biết đến với biệt danh Bitluni – lại theo đuổi một hướng đi hoàn toàn khác. Anh đang chế tạo một "GPU" từ hàng chục nghìn vi điều khiển RISC-V giá rẻ, trong đó mỗi con chip vừa đóng vai trò bộ xử lý, vừa đại diện cho một điểm ảnh trên màn hình.

Ý tưởng GPU độc đáo: Mỗi pixel là một bộ xử lý

Trong nhiều thập kỷ qua, ngành công nghiệp đồ họa luôn tập trung vào việc phát triển các GPU ngày càng mạnh hơn với hàng nghìn nhân xử lý tích hợp trên một khuôn chip duy nhất.

Matthias Balwierz lại chọn cách tiếp cận hoàn toàn trái ngược.

Thay vì dồn toàn bộ sức mạnh vào một bộ xử lý trung tâm, dự án của anh phân tán khối lượng công việc lên hàng nghìn vi điều khiển RISC-V giá rẻ. Mỗi chip đảm nhận việc tính toán cho chính điểm ảnh của mình, đồng thời điều khiển trực tiếp một đèn LED RGB được hàn ngay trên bề mặt.

Nói cách khác, mỗi pixel trên màn hình đều sở hữu "CPU" riêng, tạo thành một hệ thống xử lý đồ họa phân tán chưa từng thấy.

Đây không phải là một GPU theo kiến trúc truyền thống mà giống một thí nghiệm nhằm khám phá giới hạn của điện toán song song chi phí thấp.

Nguyên mẫu hiện tại sử dụng hơn 8.000 chip

Để hiện thực hóa ý tưởng, Balwierz đã phát triển một nguyên mẫu gồm 8.192 vi điều khiển, được lắp ráp trên các bảng mạch tùy chỉnh.

Mỗi bảng mạch xử lý một vùng hiển thị có kích thước 16 x 32 pixel, sau đó nhiều bảng được ghép lại theo hình tròn.

Thiết kế này lấy cảm hứng từ Cray-1, mẫu siêu máy tính huyền thoại nổi tiếng với bố cục hình trụ đặc trưng.

Khi hoạt động, hàng nghìn đèn LED RGB nhấp nháy đồng thời, tạo nên một màn hình mà mỗi điểm sáng đều được điều khiển bởi bộ xử lý riêng biệt.

Muốn đạt độ phân giải Full HD sẽ cần hơn 2 triệu chip

Ý tưởng nghe có vẻ đơn giản nhưng việc mở rộng quy mô lại là thách thức cực lớn.

Một màn hình Full HD (1.920 × 1.080) có hơn 2 triệu điểm ảnh, đồng nghĩa với việc dự án sẽ cần tới hơn 2 triệu vi điều khiển nếu muốn mỗi pixel sở hữu một CPU riêng.

Chi phí cũng sẽ tăng lên mức gần như không khả thi.

Vì vậy, Balwierz lựa chọn mục tiêu thực tế hơn là độ phân giải 320 × 200 pixel – mức từng rất phổ biến trên các máy tính cá nhân đầu thập niên 1990.

Ngay cả ở độ phân giải này, hệ thống hoàn chỉnh vẫn cần tới 64.000 vi điều khiển, gấp gần tám lần nguyên mẫu hiện tại.

Vì sao chọn vi điều khiển giá rẻ?

Trái tim của dự án là QingKe CH570, một vi điều khiển dựa trên kiến trúc RISC-V có giá chỉ khoảng 0,13 USD mỗi chiếc.

Mặc dù rất rẻ, CH570 vẫn sở hữu cấu hình khá ấn tượng:

• CPU RISC-V 32-bit
• Xung nhịp tối đa 100 MHz
• Bộ điều khiển USB tích hợp
• Kết nối không dây 2.4 GHz
• Hỗ trợ Bluetooth 5.0 LE

Đây là mức phần cứng đáng chú ý đối với một con chip có giá chưa tới 15 cent.

Tuy nhiên, khi nhân lên hàng chục nghìn đơn vị, chi phí bắt đầu trở thành vấn đề.

Chỉ riêng 64.000 vi điều khiển đã tiêu tốn hơn 8.000 USD, chưa bao gồm bảng mạch, linh kiện điện tử, nguồn cấp hay chi phí lắp ráp.

Vì sao không sử dụng LED thông minh?

Một trong những quyết định đáng chú ý nhất của Balwierz là sử dụng đèn LED RGB cơ bản thay vì các LED thông minh có thể điều khiển độc lập như WS2812.

Lý do rất đơn giản: chi phí.

Nếu mỗi pixel sử dụng LED thông minh, ngân sách toàn bộ dự án sẽ tăng lên đáng kể.

Việc hàn trực tiếp LED RGB thông thường vào từng vi điều khiển giúp giảm giá thành, đồng thời biến mỗi chip thành một đơn vị xử lý và hiển thị hoàn chỉnh.

Đây không phải GPU để chơi game

Dự án hiện vẫn ở giai đoạn nghiên cứu và chưa thể cạnh tranh với GPU thương mại của NVIDIA, AMD hay Intel.

Hiệu năng xử lý còn rất hạn chế và việc đồng bộ hàng nghìn vi điều khiển cũng là bài toán vô cùng phức tạp.

Tuy nhiên, mục tiêu của Balwierz chưa bao giờ là tạo ra GPU nhanh nhất.

Điều anh muốn chứng minh là khả năng xây dựng một kiến trúc đồ họa hoàn toàn mới dựa trên điện toán phân tán, nơi hàng chục nghìn bộ xử lý đơn giản cùng hoạt động song song thay vì phụ thuộc vào một chip hiệu năng cao.

Đây là một hướng tiếp cận khác biệt so với GPU truyền thống vốn tích hợp hàng nghìn nhân xử lý trong cùng một khuôn bán dẫn.

Liệu có thể chạy Doom?

Một trong những câu hỏi thú vị nhất mà cộng đồng đặt ra là liệu "GPU" đặc biệt này có đủ sức chạy những tựa game kinh điển như Doom hay không.

Hiện tại, Balwierz vẫn chưa đưa ra câu trả lời chính thức.

Nguyên mẫu vẫn đang trong quá trình hoàn thiện và chủ yếu được sử dụng để kiểm chứng khả năng phối hợp giữa hàng nghìn vi điều khiển hoạt động đồng thời.

Dù vậy, dự án đã thu hút sự chú ý lớn từ cộng đồng phần cứng vì nó chứng minh rằng những linh kiện cực kỳ rẻ tiền vẫn có thể tạo nên các hệ thống xử lý độc đáo nếu được thiết kế theo cách hoàn toàn khác biệt.

Có thể GPU của Bitluni sẽ không bao giờ cạnh tranh được với GeForce RTX hay Radeon RX trong thực tế. Tuy nhiên, nó là minh chứng rõ ràng cho tinh thần sáng tạo của cộng đồng phần cứng mã nguồn mở: đôi khi những ý tưởng táo bạo lại mang đến góc nhìn hoàn toàn mới về cách một bộ xử lý đồ họa có thể được xây dựng trong tương lai.