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“一芯一像素”,用 6.4 万颗 0.13美元的RISC-V 自制一颗GPU

德国黑客Bitluni用6.4万颗单价0.13美元的RISC-V芯片CH570制成GPU,每芯片对应一像素,分辨率320×200,功耗约2161W,通过3D打印机自动烧录,验证了海量廉价弱单核强并行的另类图形处理架构。

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    用6.4万颗单价0.13美元的小芯片,拼出一颗能用的GPU。这事儿听起来像极客圈的天方夜谭,但德国硬件黑客Matthias Balwierz——就是那个网名Bitluni的哥们——还真就这么干了。

    他的思路极其直接:每颗芯片既是一个算力单元,也是一个像素。RGB LED直接焊在MCU上,图形硬件和显示阵列合二为一。没有传统GPU那种统一的大显存、大着色器阵列,取而代之的是无数小核并行工作。不拼单点性能,拼的是分布式思路有多野。


    圆形排布的LED/芯片阵列,布局灵感来自Cray-1(图源:TechSpot / 项目相关)

    一、为什么是320×200,而不是1080p

    按“一芯一像素”来算,Full HD(1920×1080)需要超过200万颗芯片——成本、功耗、布线、编程量都会完全失控。所以Bitluni把目标压到了经典的320×200分辨率。即便如此,完工时仍然需要64,000颗微控制器。

    目前的原型规模要小一些:8,192颗芯片,装在定制电路板上。单板覆盖16×32像素块,多块板再拼成圆形阵列,形态上松散地致敬了Cray-1超级计算机。从外面看,这就是一面密密麻麻闪烁的LED墙,但每一颗灯背后都是一颗独立处理器。

    二、芯片选型:QingKe CH570,约0.13美元/颗

    核心器件是南京沁恒微电子的青稞(QingKe)CH570。单价约0.13美元,集成度却不低:32位RISC-V CPU,最高约100 MHz,带USB控制器、2.4 GHz收发器,以及Bluetooth 5.0 LE。

    LED也故意用了基础RGB,而不是更贵的可寻址灯珠——后者会让预算迅速飞涨。即便单颗便宜,扩到6.4万颗时,仅MCU物料就超过8,000美元;整机若算上PCB、供电、结构件,还要再高一截。


    定制多层板与分块像素区域(图源:TechSpot / 项目相关)

    这套系统最反直觉的地方是你根本找不到一颗“中央大核”来管所有事。大约每32颗CH570由一颗能力更强的CH32V做分组管理,形成分层协调架构:下层负责像素级运算与点亮,上层负责分块调度。这和传统GPU的调度层次完全不同,但目的类似——避免所有工作挤在单一瓶颈上。

    三、真正的硬骨头:供电与电流

    值得算一笔账:单颗芯片电流大约10mA,听起来无害,但乘上几千颗,局势就完全不同了。现有配置功耗约2,161W,在3.3V下折合电流大约655A。

    供电方案是Corsair WS3000钛金电源,再配合定制降压电路把12V转到3.3V大电流输出。对做过大电流电源或服务器机柜的工程师来说,这已经不是“开发板玩玩”的量级,而是配电、走线截面积、接触电阻和局部压降都要认真计算的工程问题。

    硬件几乎全是自制:PCB、供电、测试夹具都自己设计。作者提到这是他第一块六层板,设计上还顶到了JLCPCB的工艺边界。散热方面曾考虑过浸没式液冷,但因为成本和环境顾虑暂时搁置。

    四、6万颗芯片怎么烧录?用3D打印机当飞针

    如果靠手工逐颗烧录,项目时间会直接崩盘。Bitluni的解法是:3D打印一个三爪编程头,装到打印机运动滑架上,再用Python发G-code,把触点精确压到每颗MCU的烧录焊盘上——相当于把3D打印机改成了一台低成本自动飞针烧录机。


    3D打印机搭载的自动定位烧录装置(图源:TechSpot / 项目相关)

    这类“用通用机床/打印机解决产线问题”的思路,在小批量硬件极客圈里很常见,也最能体现项目的工程趣味:难点往往不在算法,而在量产式的重复劳动如何自动化。

    五、它不是要打RTX,而是在做概念验证

    项目仍处早期,性能上远不能和商用GPU相比——作者本人很清楚,这并不是目标。更准确的定位是:验证“海量廉价、弱单核、强并行”能否构成一种另类图形处理架构;图形单元与显示像素物理绑定后,系统边界会变成什么样。

    最终能否跑起Doom一类demo,目前还说不准。对EE读者更有价值的,是几个可迁移的观察:

    • 并行度可以用“数量”买来,但互联、同步、供电和可制造性会立刻变成主矛盾。
    • 分层控制(CH570 + CH32V)是把复杂度从“一核统治”挪到“分域管理”。
    • 自动化(烧录、测试)决定这种规模项目能不能做完,而不只是能不能做demo。

    当有人用0.13美元一颗的RISC-V MCU重新定义“GPU可以长什么样”时,答案未必能上架销售,但足够提醒一句:架构选择,有时比单点性能参数更有想象力。

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