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公開日:2024年2月20日
寄稿者:Mesh Flinders、Ian Smalley

グラフィック・プロセッシング・ユニット(GPU)とは

グラフィックス・プロセッシング・ユニット(GPU)は、ビデオ・カード、マザーボード、携帯電話、パーソナル・コンピューター(PC)など、さまざまなデバイス上のコンピューター・グラフィックスと画像処理を高速化するために設計された電子回路です。

GPUは数学的計算を高速に実行することで、コンピューターが複数のプログラムを実行するのに必要な時間を短縮し、機械学習(ML)人工知能(AI)ブロックチェーンなどの新興および将来のテクノロジーを実現する上で不可欠な要素となります。

1990年代にGPUが発明されるまで、PCやビデオ・ゲーム・コントローラーのグラフィックス・コントローラーは、コンピューターの中央処理装置(CPU)を利用してタスクを実行していました。1950年代初頭以来、CPUはコンピューターの最も重要なプロセッサーであり、ロジック、制御、入出力(I/O)など、プログラムの実行に必要なすべての命令を実行していました。しかし、1990年代に個人用ゲームとコンピューター支援設計(CAD)が登場すると、業界は短時間でピクセルを結合する、より高速かつ効率的な方法を必要としました。

2007年、NvidiaはCUDA(Compute Unified Device Architecture)を構築しました。これは開発者がGPUの並列計算能力に直接アクセスできるようにするソフトウェアで、開発者は以前よりも幅広い機能にGPUテクノロジーを使用できるようになりました。2010年代、GPUテクノロジーはさらに多くの機能を獲得しました。おそらく最も重要なのは、レイ・トレーシング (カメラからの光の方向を追跡してコンピューター画像を生成)とテンソル・コア(深層学習を可能にするように設計)です。

これらの進歩により、GPUはAIアクセラレーションおよびディープラーニング・プロセッサーにおいて重要な役割を果たし、AIおよびMLアプリケーションの開発のスピードアップに貢献しました。現在、GPUはゲーム・コンソールや編集ソフトウェアを強化するだけでなく、多くの企業にとって重要な最先端のコンピューティング機能も強化しています。

 

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GPUテクノロジーの進歩とAIとHPCの需要の高まりにより、業界がデータから価値を引き出し、ITパフォーマンスを新たな高みに押し上げる方法が変わりました。

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GPUのさまざまな種類

GPUには、ディスクリートGPU、統合GPU、仮想GPUの3種類があります。

ディスクリート型:ディスクリートGPU(dGPU)は、デバイスのCPUから独立したグラフィック・プロセッサーであり、情報が取り込まれて処理し、コンピューターが機能できるようになります。ディスクリートGPUは通常、ビデオ編集、コンテンツ作成、ハイエンド・ゲームなど、特別な要件を持つ高度なアプリケーションで使用されます。これらは通常、高速スロットを使用してCPUに取り付けられる個別の回路基板へのコネクタを備えた個別チップです。最も広く使用されているディスクリートGPUの1つは、PCゲーム業界向けに構築されたIntel Arcブランドです。

統合型:統合GPU(iGPU)は、コンピューターやデバイスのインフラストラクチャーに組み込まれており、通常はCPUの隣に配置されます。2010年代にIntelによって設計された統合GPUは人気がさらに高まりました。ユーザーがPCI Expressスロットを介して自分でGPUを追加するよりも、GPUとCPUを組み合わせた方が威力を発揮することにMSI、ASUS、Nvidiaなどのメーカーが気付いたからです。現在でも、ノートPCユーザー、ゲーマー、PC上で演算集中型プログラムを実行するその他のユーザーにとって、人気のある選択肢となっています。

仮想型:仮想GPUは、ディスクリートGPUや統合GPUと同じ機能がありますが、ハードウェアはありません。これらは、クラウド・インスタンス用に構築されたGPUのソフトウェアベースのバージョンにすぎず、同じワークロードの実行に使用できます。また、ハードウェアがないため、物理的なものよりも保守が簡単で安価です。

 

現代のGPUのユースケース

GPUは時間の経過とともに進化し、技術的な改善によってよってプログラム可能になり、より多くの機能が発見されました。具体的には、複数のプロセッサーにタスクを分割する機能(並列処理と呼ばれる)により、PC ゲーム、高性能コンピューティング(HPC) 、3Dレンダリング・ワークステーション、データセンター・コンピューティングなどさまざまなアプリケーションに欠かせないものとなっています。ここでは、GPUテクノロジーの最も重要な最新のアプリケーションについていくつか詳しく見ていきます。

 

AI(人工知能)

AIとその多くのアプリケーションは、GPUテクノロジーなしではおそらく不可能でしょう。高度な技術的な問題を従来のCPUよりも迅速かつ効率的に解決できるGPUの能力は、不可欠なものとなっています。GPUは、ますます大規模になるデータ・セットのトレーニングのために高速性を必要とする、IBMのクラウドネイティブなAIスーパーコンピューター、Velaなど多くの主要AIアプリケーションを駆動しています。AIモデルはデータセンターのGPUでトレーニングおよび実行され、通常は科学研究やその他のコンピューティング集約型タスクを行う企業によって運用されています。

機械学習(ML)とディープラーニング(DL)

機械学習(ML)とは、データとアルゴリズムを使用して人間の学習方法を模倣するAIの特定分野を指します。ディープラーニング (DL)は、 ニューラル・ネットワークを使用して人間の脳の意思決定プロセスをシミュレートするMLの一部トです。GPUテクノロジーは、両方の技術進歩の領域にとって不可欠です。

MLとDLに関して言えば、GPUは人間と同じような方法で大量のデータ・セットを分類し、そこから推論を行うモデルの能力を強化します。GPUは一度に多くの同時計算を実行できるため、特にメモリーと最適化の領域を強化します。さらに、MLとDLで使用されるGPUは、CPUよりも使用するリソースが少なく、能力や精度も低下しません。

ブロックチェーン

ブロックチェーンは、ビジネス・ネットワークで取引を記録し、資産を追跡するために使用される一般的な台帳であり、特に「プルーフ・オブ・ワーク(作業量の証明)」と呼ばれるステップに関しては、GPU テクノロジに大きく依存しています。暗号通貨など広く使用されている多くのブロックチェーンでは、プルーフ・オブ・ワークのステップは取引の検証に不可欠であり、ブロックチェーンに取引を追加できるようにします。

ゲーム

ゲーム業界では、1990 年代に初めてGPUの力を活用し、速度とグラフィックの精度を高めて全体的なゲーム体験を向上させました。現在、個人用ゲームは、超現実的なシナリオ、リアルタイムのインタラクション、広大で没入型のゲーム内世界のため、かなり演算集中型になっています。仮想現実(VR)、より高い更新レート、高解像度の画面などといったゲームの傾向により、ゲーム業界はますます要求の厳しいコンピューティング環境でグラフィックスを高速に配信するためにGPUに頼っています。

動画編集

従来、レンダリング時間が長いことは、消費者向けとプロフェッショナル向けの両方の編集ソフトウェア・アプリケーションにおいて大きな障害となっていました。GPUはその発明以来、Final Cut ProやAdobe Premiereなどの一般的な動画編集製品の処理時間とコンピューティング・リソースを着実に削減してきました。現在、並列処理とAIを内蔵したGPUは、プロ仕様の編集スイートからスマートフォン・アプリまで、あらゆる編集機能を劇的に高速化しています。

コンテンツ作成

処理、パフォーマンス、グラフィックス品質の向上により、GPUはコンテンツ制作業界の変革に不可欠な要素となっています。今日、最高性能のグラフィックス・カードと高速インターネットを手にしたコンテンツ・クリエーターは、リアルなコンテンツを生成し、AIと機械学習で強化し、編集してライブ視聴者にかつてないほど高速にストリーミングすることができます。これらはすべて、主にGPUテクノロジーの進歩のおかげです。

可視化とシミュレーション

GPUは、製品のウォークスルー、CAD図面、医療および地震/地球物理学的イメージングなど、複雑で専門的なアプリケーションの操作性とトレーニング機能を強化するために、多くの業界で高い需要があります。GPUは、3Dアニメーション、AIやML、高度なレンダリング、超リアルな仮想現実(VR)や拡張現実(AR)体験など、消防士、宇宙飛行士、学校の教師などの専門的なトレーニングで使用される高度な視覚化に不可欠です。

さらに、エンジニアや気候科学者は、GPUを搭載したシミュレーション・アプリケーションを使用して、気象条件、流体力学、天体物理学、および特定の条件下での車両の挙動を予測しています。これらの目的で利用できる最も強力なGPUの1つがNvidia geforce RTXチップで、主に科学的な視覚化とエネルギー探査を目的としています。

GPUの仕組み

今日のGPUは、多くのマルチプロセッサーを利用して、与えられたタスクのさまざまな部分をすべて処理します。

GPUには独自の高速アクセス・メモリー(RAM)が搭載されています。これは、チップが必要に応じてアクセスし変更できるコードとデータの保存に使われる特殊な電子メモリーです。高度なGPUには通常、グラフィック編集、ゲーム、AI/MLユースケースなど演算集中型タスクに必要な大量のデータを保持するために特別に構築されたRAMが搭載されています。

GPUの一般的な2種類のGPUは、Graphics Double Data Rate 6 Synchronous Dynamic Random-Access Memory(グラフィックス・ダブルデータレート6同期型DRAM [GDDR6])とそれ以降の世代のGDDR6Xです。 GDDR6XはGDDR6よりも転送ビットあたりの消費電力が15%少なくなりますが、GDDR6Xの方が高速であるため、全体の消費電力は高くなります。iGPUは、コンピューターのCPUに統合することも、CPUの横にあるスロットに挿入してPCI Expressポート経由で接続することもできます。

GPUとCPUの違いとは

CPUとGPUは同じような設計で、処理タスク用のコアやトランジスタの数も似ていますが、CPUの方がGPUよりも汎用的な機能を備えています。GPUは、グラフィックス処理や機械学習など、単一の特定のコンピューティング・タスクに重点を置く傾向にあります。

CPUは、コンピューター・システムまたはデバイスの心臓部であり、頭脳です。プログラムまたはソフトウェア・アプリケーションから、タスクに関する一般的な指示または要求を受け取ります。一方、GPUには、より具体的なタスクがあり、通常、高解像度の画像や動画を素早く処理します。GPU は、そのタスクを実行するために、グラフィックスやその他の演算集中型機能のレンダリングに必要な複雑な数学的計算を常に実行します。

CPUとGPUの最大の違いの1つは、CPUは使用するコア数が少なく、直線的な順序でタスクを実行する傾向があるのに対し、GPUには数百、場合によっては数千のコアがあり、超高速処理能力を推進する並列処理が可能になることです。

最初のGPUは、3Dグラフィックスのレンダリングを高速化して、映画やビデオ・ゲームのシーンをよりリアルで魅力的に見せるために構築されました。最初のGPUチップであるNvidiaのGeForceは1999年に発売され、その後すぐに急速な成長期が続き、その高速並列処理能力によりGPUの機能が他の分野に拡大しました。

並列処理(並列コンピューティング)は、2つ以上のプロセッサーを使用してコンピューティング・タスク全体のさまざまなサブセットを実行するコンピューティングの一種です。GPUが登場する以前、旧世代のコンピューターは一度に1つのプログラムしか実行できず、タスクを完了するのに数時間かかることがよくありました。GPUの並列処理機能は、多くの計算やタスクを同時に実行するため、古いコンピューターのCPUよりも高速で効率的です。

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