20 万晶体管的奇迹：TinyGPU 用 FPGA 重现 GPU 的灵魂

作者：电子创新网编辑部

在 AI GPU 迈向万亿晶体管时代的当下，一款仅有 20 万个晶体管的小芯片，却在全球硬件圈引发热议。它就是被誉为“全球最小 GPU”的 TinyGPU v2.0——一个在 FPGA 平台上孵化、在 Tiny Tapeout 开源流片项目中走向硅片的图形处理器。

对做 FPGA 相关工作的人来说，TinyGPU 可不只是个极客们玩的小玩意儿，更是个值得关注的设计方法实验。它完整展示了以 FPGA 为核心，实现从概念验证到硅片生产的完整闭环，折射出低门槛芯片创新与开源硬件设计的新趋势。

一、FPGA：低成本 GPU 原型的孵化器

TinyGPU 的创造者 Pongsagon Vichit 并非芯片公司工程师，而是一位独立开发者。他选择使用 Basys3 FPGA 开发板（基于 Xilinx Artix-7） 来完成整个 GPU 原型设计。

在这块 FPGA 上，他实现了：

• 顶点变换与光照（T&L）流水线；

• 光栅化与平面着色逻辑；

• 双缓冲与深度缓冲机制；

• 简易的片上显存访问与接口控制。

运行频率仅 25 MHz，但足以实时渲染 320×240 分辨率、16 色的低多边形 3D 模型。更重要的是，这一切都是纯硬件级实现——TinyGPU 的每一个模块都在 FPGA 上通过 HDL 语言构建完成。

对 FPGA 产业而言，这正是 FPGA 的核心价值所在：

FPGA 提供了一个无风险、低成本、可验证的架构实验平台，允许个人或团队直接实现并运行完整的处理器架构。

这让 GPU、AI 加速器等复杂架构的“概念验证”从实验室走入开源社区，推动了硬件创新的普及化。

二、从 FPGA 到 ASIC：开源流片生态的产业新变量

Vichit 并未止步于 FPGA。他已将 TinyGPU v2.0 提交至 Tiny Tapeout 项目——一个基于开放工艺节点的全球协作流片计划。

• 每个 Tiny Tapeout 晶圆允许上百个设计者共享流片成本；

• TinyGPU 使用最大允许的 4×4 图块区域，约 20 万晶体管；

• 整个流片成本约 1500 美元，远低于传统 ASIC 的动辄上百万美元门槛。

对于 FPGA 产业，这是一种颇具启示意义的延伸趋势：

FPGA 不仅是验证平台，也正成为开源 ASIC 生态的“上游入口”。

在 TinyGPU 这样的项目中，FPGA 扮演的角色是：

• 逻辑验证平台：验证 RTL 的功能正确性、性能瓶颈；

• 时序参考环境：评估架构延迟与时钟分布；

• 流片前评估基线：为 Tiny Tapeout 提供经过充分验证的硬件设计。

这意味着 FPGA 正在成为开源芯片生态中“硅前验证的标准接口”——从教育到产业原型验证，FPGA 的边界正在被拓宽。

三、技术观察：用 20 万晶体管重现 GPU 的灵魂

TinyGPU 的独特之处，在于它以极低复杂度复现了现代 GPU 的关键技术要素。
该设计支持：

• 几何变换与光照（T&L）

• 背面剔除（Backface Culling）

• 4 位双缓冲 + 8 位深度缓冲

• 单光源平面着色（Flat Shading）

这基本涵盖了 1999 年 NVIDIA GeForce 256 所定义的 GPU 三大功能模块：

1. 几何变换（Transformation）

2. 光照运算（Lighting）

3. 光栅化（Rasterization）

FPGA 在这里的作用，不仅是“跑起来”，更是“分得清”：

• 它让架构师能可视化地验证流水线结构与数据流通路；

• 能精确分析各模块延迟、资源占用与时钟收敛；

• 能在不流片的前提下，完成一次“结构可解释”的 GPU 架构实验。

在 AI/图形计算不断融合的今天，这种以 FPGA 为基础的架构实验方式，为新一代图形处理架构（如可重构 GPU、AI+图形融合加速器）提供了启发。

四、FPGA 产业的启示：开源、教育与架构创新

TinyGPU v2.0 的出现，代表了 FPGA 在三个层面的潜在增值方向：

1. 开源硬件教育平台

• 它让学生或爱好者在 FPGA 上“看见”GPU 的内部工作流程。

• 有助于构建面向高校与创客的低成本教学方案。

2. 快速原型验证工具

• 对 GPU、AI、DSP 等处理器类架构，FPGA 是最佳的验证载体。

• 未来可结合开放 EDA 工具链（如 OpenLane）构成完整闭环。

3. 低成本芯片创新生态

• FPGA + Tiny Tapeout 的组合正在重塑硬件创新流程。

• 个人设计者或中小团队能以极低成本实现从 RTL 到硅的闭环。

这种趋势可能孕育出一个“开源硅创新生态”，而 FPGA 将是其中的核心基础设施。

五、结语：FPGA，让芯片设计重回创造的本质

在 NVIDIA 的 GPU 动辄百亿晶体管的时代，TinyGPU 用 20 万晶体管提醒我们：

芯片设计的价值，不仅在于性能极限，也在于架构思想的可探索性。

而 FPGA，正是这种探索的最佳土壤——
它让芯片设计不再是资本与工艺的竞赛，而是再次回归到工程师的创造力与理解力。

TinyGPU v2.0 展示的不只是“最小 GPU”，而是一种以 FPGA 为核心、贯通验证—流片—教育—创新的全新硬件设计范式。

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