Costruire una VGA in casa senza un chip di elaborazione grafica: il folle progetto basato su RISC-V

Realizzare una GPU senza utilizzare un tradizionale processore grafico può sembrare un'idea fuori dagli schemi, ma è proprio ciò che si è imposto di fare Matthias Balwierz, conosciuto nella community come Bitluni. Il progetto sperimentale sostituisce il classico chip grafico con migliaia di microcontroller RISC-V economici, ognuno incaricato di elaborare un singolo pixel e di visualizzarlo attraverso un LED RGB.

L'idea consiste nell'unire hardware grafico e display in un'unica struttura. Ogni chip funziona contemporaneamente come unità di calcolo e come punto luminoso dello schermo. Per contenere costi e complessità, Balwierz ha scelto semplici LED RGB anziché soluzioni indirizzabili più sofisticate, che avrebbero aumentato sensibilmente il budget necessario.

L'obiettivo finale prevede la realizzazione di un display con risoluzione 320 x 200 pixel, configurazione che richiede 64.000 microcontroller. Un pannello Full HD, invece, avrebbe bisogno di oltre 2 milioni di chip, un traguardo decisamente fuori scala per questa dimostrazione tecnologica. Il prototipo attuale utilizza 8.192 microcontroller, distribuiti su circuiti stampati specificamente progettati.

Ogni scheda gestisce un blocco di 16 x 32 pixel e i vari PCB sono disposti in una configurazione circolare che richiama il celebre supercomputer Cray-1. Il risultato è una superficie composta da migliaia di LED che lampeggiano, ciascuno controllato dal proprio processore dedicato.

I protagonisti del progetto sono i QingKe CH570, microcontroller con architettura RISC-V a 32 bit capaci di operare fino a 100 MHz. Nonostante il costo di circa 0,13 dollari per unità, ogni chip integra un controller USB, un ricetrasmettitore a 2,4 GHz e il supporto al Bluetooth 5.0 LE. Anche con un prezzo così contenuto, la configurazione completa da 64.000 unità richiederebbe un investimento superiore agli 8.000 dollari soltanto per l'acquisto dei microcontrollori.

Per coordinare un numero così elevato di processori, il progetto adotta una struttura gerarchica. Gruppi di 32 chip CH570 vengono gestiti da un controller CH32V, soluzione che distribuisce il controllo senza affidarsi a un unico processore centrale.

Tra le principali difficoltà emerge l'alimentazione dell'intero sistema. Sebbene ogni unità assorba circa 10 milliampere, il consumo complessivo cresce rapidamente con l'aumentare del numero di unità. Il prototipo raggiunge infatti una richiesta energetica di circa 2.161 watt, equivalenti a circa 655 ampere a 3,3 volt. Per sostenere questo carico Balwierz utilizza un alimentatore Corsair WS3000 ATX insieme a convertitori progettati su misura per trasformare la tensione da 12 volt a 3,3 volt.

Quasi ogni componente del sistema è stato sviluppato appositamente. L'autore ha progettato personalmente i circuiti stampati, il sistema di alimentazione e gli strumenti di collaudo. Si tratta inoltre della sua prima scheda elettronica a sei strati, una realizzazione che ha raggiunto i limiti di progettazione consentiti dal produttore dei PCB. In una fase iniziale era prevista anche l'adozione del raffreddamento a immersione, soluzione poi accantonata per ragioni economiche e ambientali.

Particolarmente interessante risulta anche il metodo scelto per programmare migliaia di dispositivi. Balwierz ha realizzato uno strumento a tre punte stampato in 3D, installato poi sul carrello mobile della medesima stampante. Uno script Python invia comandi G-code per posizionare automaticamente il programmatore sopra ciascun microcontroller, eliminando la necessità di intervenire manualmente su ogni singolo chip.

Il progetto si trova ancora nelle fasi iniziali e, ovviamente, non punta a competere con le GPU commerciali. L'obiettivo consiste nel verificare fino a dove possa spingersi un'architettura basata su migliaia di unità di calcolo a basso costo che operano in parallelo.