TinyGPU v2.0: maailman pienin grafiikkapiiri

TinyGPU v2.0 on nyt valmis

Avoimen lähdekoodin grafiikkapiiriprojekti TinyGPU on edennyt vaiheeseen, jota moni harrastajapuolen kehittäjä ei koskaan saavuta: v2.0 on saatu valmiiksi fyysisenä ASIC-piirinä. Kyseessä on pieni, mutta symbolisesti merkittävä saavutus, sillä projekti on ehtinyt siirtyä ideasta FPGA-esittelyn kautta oikeaksi valmistetuksi siruksi.

Taustalla on kehittäjä Pongsagon Vichit, joka kuvailee itseään amatööritason ASIC- ja FPGA-suunnittelijaksi. Nimitys kuulostaa nöyrältä, mutta lopputulos ei sitä ole. TinyGPU v2.0 on ehtinyt pitkälle harrasteprojektiksi, ja juuri siksi se herättää huomiota myös laajemmassa tekniikkayhteisössä.

Projekti esiteltiin alun perin AMD:n Xilinx Artix-7 FPGA -pohjaisella Basys3-alustalla. Nyt sama kokonaisuus on toimitettu Tiny Tapeout -valmistuserään, jonka kautta pienempiä avoimia piirejä voidaan toteuttaa fyysisesti yhdessä suuremmassa valmistuserässä. Käytännössä TinyGPU v2.0 on siis siirtynyt näytöltä oikeaksi siruksi.

Sirulla on yllättävän paljon sisältöä

TinyGPU v2.0:n tekniset rajat kertovat hyvin siitä, millaisesta projektista on kyse. Kun nykyiset massiiviset näytönohjaimet rakentuvat miljardiluokan transistorimääriin, TinyGPU v2.0 kulkee aivan toista mittakaavaa. Piiri sisältää noin 240 000 transistoria, mikä on häviävän vähän verrattuna kaupallisiin huippuratkaisuihin, mutta juuri siksi projekti on kiinnostava.

Vertailu nykyteollisuuteen tekee mittasuhteet selviksi. NVIDIAn GB207:ssä transistoreita on noin 16,9 miljardia. TinyGPU:n tarkoitus ei kuitenkaan ole kilpailla suorituskyvyllä tai ominaisuuksien määrällä, vaan osoittaa, että grafiikkapiiri voidaan toteuttaa avoimesti, pienessä mittakaavassa ja silti toimivasti.

Piiri tukee rasterointia ja T&L-ominaisuuksia sekä kykenee pyörittämään 1000 kolmiota per ruutu. Lisäksi mukana ovat yksi dynaaminen valo, flat shading, backface culling ja affiininen teksturointi. Nämä ominaisuudet sijoittavat TinyGPU:n selvästi opetukselliseen ja kokeelliseen kategoriaan, eivät kuluttajamarkkinoille, mutta juuri siinä sen arvo piilee.

Myös muistin toteutus on kiinnostava yksityiskohta. Piirissä on 4-bittinen kaksoispuskurointi ja 8-bittinen syvyyspuskuri, jotka on säilötty QSPI RAM -muistiin. Kyse on pienistä ratkaisuista, joilla saadaan aikaan toimiva kokonaisuus rajallisilla resursseilla.

Tiny Tapeout teki fyysisen toteutuksen mahdolliseksi

TinyGPU v2.0 ei olisi todennäköisesti päätynyt fyysiseen valmistukseen ilman Tiny Tapeoutia. Alusta on suunniteltu juuri tällaisten pienempien harrastajaprojektien tueksi: yhden valmistuserän sirulle voidaan sijoittaa useita eri kehittäjien toteutuksia. Tässä erässä TinyGPU v2.0:n kanssa samalla sirulla oli peräti 315 muuta piiriä.

Valmistus tapahtui SkyWater Technologiesin 130 nanometrin prosessilla. Nykymittapuulla prosessi on jo ikääntynyt, mutta juuri tällaisiin projekteihin se soveltuu hyvin. Kyse ei ole tehokkuusennätyksistä, vaan siitä, että fyysinen piiri saadaan todella ulos tehtaasta ja testiin.

Tiny Tapeoutin idea on kiinnostava myös laajemmin avoimen laitteiston näkökulmasta. Kun kehittäjät voivat julkaista suunnitelmansa avoimesti ja nähdä niiden toteutuvan oikealla sirulla, kynnys oppimiseen madaltuu. Tällaiset projektit eivät synny markkinoiden paineesta vaan puhtaasta uteliaisuudesta ja tekniikan tekemisen ilosta.

Jos aihe kiinnostaa laajemmin, kannattaa vilkaista myös Bittiblogin uutisosastoa, jossa seurataan tekniikan erikoisempia käänteitä. Sivuston etusivulta löytyy puolestaan lisää taustaa ja muita ajankohtaisia nostoja: Bittiblogi.fi.

Seuraava versio ehti jo eteenpäin

Yksi TinyGPU-tarinan yllättävimmistä piirteistä on se, että v2.0:n valmistuessa seuraaja oli jo käytännössä valmiina. Vichitin mukaan TinyGPU v3.0 oli toimitettu Tiny Tapeoutin tulevaan erään jo ennen kuin v2.0:n piirit ehdittiin saada takaisin valmistajalta. Tämä kuvastaa hyvin pienen kehitystiimin ketteryyttä: iterointi voi olla nopeaa, kun suunnitteluketju on kevyt.

TinyGPU v3.0:n odotetaan saapuvan joulun tienoilla. Merkittävin uusi ominaisuus on ohjelmoitavat varjostimet, jotka ovat saaneet vaikutteita DirectX 8:n Pixel Shader 1.1 -tasosta. Se on jo selvä askel kohti monipuolisempaa grafiikkaputkea, vaikka mittakaava pysyy edelleen kokeellisena.

Vichitin mukaan v3.0 käyttää SIMD-yksiköitä ja neljän pikselin rinnakkaista prosessointia. Lisäksi siinä on 31 käskyä per varjostin, 26 operaatiota, maskatun suorittamisen kautta toteutettava haarautuminen ja neljä 8-bittistä rekisteriä. Kokonaisuus rakentuu noin 290 000 transistorista, eli edelleen hyvin pienen budjetin piiristä verrattuna nykypäivän grafiikka-arkkitehtuureihin.

Mitä tämä kertoo harrastajakehityksestä?

TinyGPU:n kaltaiset projektit eivät ole tavanomaisia uutisaiheita, mutta ne kertovat jotain olennaista nykyisestä teknologiatyöstä. Moni tärkeä kehitysaskel alkaa pienestä, ja joskus juuri harrastajatasoinen kokeilu näyttää suunnan, jota isommat toimijat seuraavat myöhemmin omilla ehdoillaan.

Avoimuus on tässä kokonaisuudessa keskeinen arvo. Kun grafiikkapiirin suunnittelu on avointa, siitä voi oppia paljon muutakin kuin yhden sirun tekniset yksityiskohdat. Samalla syntyy dokumentoitua tietoa siitä, miten piirirakenteita voi rakentaa, testata ja kehittää ilman valtavia budjetteja.

On myös hyvä huomata, ettei TinyGPU ole suoraan kuluttajatuote. Se ei ole pelikoneisiin suunnattu vaihtoehto, eikä sen tarkoitus ole korvata NVIDIAn tai AMD:n ratkaisuja. Sen arvo on oppimisessa, kokeellisuudessa ja siinä, että se näyttää avoimen laitteiston mahdollisuudet hyvin konkreettisella tavalla.

Kolme asiaa, jotka TinyGPU:ssa korostuvat

projekti on täysin avoin ja kehittäjälähtöinen
fyysinen ASIC-toteutus on jo onnistunut v2.0:ssa
seuraava versio tuo mukaan ohjelmoitavat varjostimet

Kun tällainen projekti valmistuu, siinä on aina hieman enemmän merkitystä kuin pelkkä tekninen yksityiskohta antaisi ymmärtää. TinyGPU v2.0 on pieni siru, mutta suuri muistutus siitä, miten pitkälle yksi kehittäjä voi päästä, kun idea, osaaminen ja avoin yhteisö osuvat yhteen.

Lopputulos ei ehkä muuta näytönohjainten markkinaa, mutta se laajentaa käsitystä siitä, mitä grafiikkapiiri voi olla. Ja juuri siksi TinyGPU v2.0 on uutinen, joka ansaitsee paikkansa myös laajemman tekniikkayleisön keskustelussa.

Lähteet