Можно ли теоретически создать единный чип, который будет сам и один выполнять работу CPU и GPU.

собственно это APU и есть.

Не обязательно 2 кристалла отдельных на общей подложке, может быть и один общий кристалл, где процессорные ядра и графические вместе.
В телефонах вроде давно так же делается.

Короче говоря- да, можно и делают давным давно. Просто уже некорректно будет их называть CPU и GPU, т. к. это уже не отдельные устройства, а одно.

Просто CPU или APU

Есть еще чипы, в которых одновременно и процессорные и графические ядра, и остальные контроллеры (шины памяти, шины данных, контроллеры USB, SATA и даже звуковой контроллер - все на одном чипе, в общем кристалле)
Такие системы называются SoC - system on chip.

В этом и состоит вся суть и ближайшее направление в развитии техники - упрощение всего устройства до одного чипа. Дешево, энергоэффективно, одноразово.

Да, центральный процессор может выполнять ЛЮБЫЕ задачи, вопрос только в производительности. Вот недавно Crysis запускали на Threadripper 3990X (самый шустрый в мире процессор, ну или один из), получили не самый комфортный FPS, подробностей не помню =)
Раньше видеокарт и не было, пока не потребовались такие мощности.

Всё возможно

До 1992 так и было, пока окончательно не решили всегда разделять CPU и GPU на два чипа, ибо раздельно они работают быстрее, чем вместе. С тех пор и пошли всякие 3dfx и nvidia.
Да и любой CPU способен выполнять задачи GPU, только будет делать это смертельно долго, ибо количество микросхем, заточенных под алгоритмы отрисовки графики, в CPU ничтожно мало по сравнению с GPU, и способны они отрисовать быстро только консось и чёрно-белый текст.

я проанализировал все возможные варианты, мой ответ однозначен: это исключено! это противоречит законам вселенной

CPU и сейчас может рендерить 3D-графику, только делает это очень медленно. там меньше 1 FPS, для игр не годится. именно по этой причине в середине 90-х были разработаны 3D-УСКОРИТЕЛИ. их ведь не просто так назвали ускорителями, верно? для 3D-графики они делают тоже самое что и CPU, только намного быстрее...

нет

APU называется

Ну так уже есть процессоры со встроенным видеоядром.

APU и SoC - это и есть чип. Если вы имеете в виду работу одного ядра за функции процессора и графики, то, чтобы хоть минимально соответствовать современным графическим ускорителям, ему понадобится много электричества, мощное охлаждение и частота около 10 ГГц. Еще надо учитывать разные встроенные инструкции для CPU и GPU, а так же память.