グラフィックス処理ユニット
GPU のコンポーネント。

グラフィックス・プロセッシング・ユニット（GPU）は、デジタル画像処理とコンピュータグラフィックスの高速化を目的として設計された特殊な電子回路であり、個別のグラフィックス・カード上のコンポーネントとして、またはマザーボード、携帯電話、パーソナル・コンピュータ、ワークステーション、ゲーム機などに組み込まれて存在します。GPUは、グラフィックス処理でも広く使用されている線形代数加速により、人工知能（AI）処理にもますます利用されるようになっています。

この用語には単一の定義はなく、あらゆるビデオ表示システムを説明するために使用される場合がありますが、現代の用法では、GPUには、3D画像の回転や拡大縮小など、さまざまなグラフィックスタスクに必要な計算を内部的に実行する機能と、多くの場合、シェーダーと呼ばれるカスタムプログラムを実行する追加機能が含まれます。これは、内部計算機能を持たないビデオディスプレイコントローラーや、基本的なメモリ移動操作のみを実行するブリッターと呼ばれる初期のグラフィックスコントローラーとは対照的です。現代のGPUは1990年代に登場し、 CPUの助けを借りずに線やテキストを描画する機能を追加し、後に3D機能も追加しました。

グラフィックス機能は一般的に独立しているため、これらのタスクは別々の計算エンジンで実装できます。最新のGPUには、数百、あるいは数千の計算ユニットが搭載されています。そのため、並列構造により、非常に並列性の高い問題を含む非グラフィックス計算に有用です。膨大な数の計算を高速に実行できるGPUの能力は、人工知能（AI）を含む様々な分野で採用されており、データ集約型で計算負荷の高いタスクの処理に優れています。その他の非グラフィックス用途としては、ニューラルネットワークのトレーニングや暗号通貨のマイニングなどが挙げられます。

歴史

1970年代

アーケードシステムボードは1970年代から専用のグラフィック回路を採用してきました。初期のビデオゲームハードウェアでは、フレームバッファ用のRAMが高価だったため、ビデオチップはモニターにスキャンアウトされた画面データを合成していました。[ 1 ]

特殊なバレルシフター回路は、ガンファイト（1975年）、シーウルフ（1976年）、スペースインベーダー（1978年）など、ミッドウェイとタイトーの1970年代の様々なアーケードビデオゲームのフレームバッファーグラフィックスをCPUがアニメーション化するのに役立ちました。 [ 2 ] 1979年のナムコギャラクシアンアーケードシステムは、RGBカラー、マルチカラースプライト、タイルマップ背景をサポートする特殊なグラフィックスハードウェアを使用しました。[ 3 ]ギャラクシアンハードウェアは、アーケードビデオゲームの黄金時代に、ナムコ、センチュリー、グレムリン、アイレム、コナミ、ミッドウェイ、ニチブツ、セガ、タイトーなどのゲーム会社によって広く使用されました。[ 4 ]

Atari 130XE マザーボード上のAtari ANTICマイクロプロセッサ

1977年のAtari 2600は、テレビジョン・インターフェース・アダプタと呼ばれるビデオシフタを採用していました。[ 5 ] Atari 8ビットコンピュータ（1979年）には、 ANTICというビデオプロセッサが搭載されていました。これは、「ディスプレイリスト」を記述する命令を解釈するものでした。ディスプレイリストとは、スキャンラインを特定のビットマップまたは文字モードにマッピングする方法と、メモリがどこに保存されるか（そのため、連続したフレームバッファは不要でした）のことです。[ 6 ] 6502マシンコードサブルーチンは、ディスプレイリスト命令のビットを設定することで、スキャンライン上で実行できました。 [ 7 ] ANTICは、 CPUに依存しないスムーズな垂直および水平スクロールもサポートしていました。 [ 8 ]

1980年代

NEC μPD7220A​

NEC μPD7220は、パーソナルコンピュータのグラフィックスディスプレイプロセッサを単一の大規模集積回路（LSI）チップとして実装した最初の製品でした。これにより、ナンバーナインビジュアルテクノロジーなどの低コストで高性能なビデオグラフィックカードの設計が可能になりました。1980年代半ばまで、最もよく知られたGPUとなりました。[ 9 ]これは、PC向けの最初の完全統合VLSI（超大規模集積回路）金属酸化膜半導体（NMOS）グラフィックスディスプレイプロセッサであり、最大1024×1024の解像度をサポートし、PCグラフィックス市場の基盤を築きました。多くのグラフィックスカードに使用され、インテルの最初のグラフィックスプロセッシングユニットであるインテル82720などのクローン製品にライセンス供与されました。[ 10 ]ウィリアムズエレクトロニクスのアーケードゲームであるRobotron: 2084、Joust、Sinistar、Bubblesはすべて1982年にリリースされ、16色のビットマップを操作するためのカスタムブリッターチップが搭載されています。 [ 11 ] [ 12 ]

1984年、日立はパーソナルコンピュータ向け初の主要なCMOSグラフィックプロセッサであるARTC HD63484をリリースした。ARTCはモノクロモードで最大4Kの解像度を表示できた。1980年代後半、多くのグラフィックカードや端末で使用された。[ 13 ] 1985年、ビットマップ操作、線描画、領域塗りつぶし用のブリッタを含むカスタムグラフィックチップを搭載したAmigaがリリースされた。また、ビデオビームと同期してグラフィックハードウェアレジスタを操作したり（スキャンラインごとのパレットスイッチ、スプライト多重化、ハードウェアウィンドウ化など）、ブリッタを駆動したりできる独自のシンプルな命令セットを備えたコプロセッサも含まれていた。1986年、テキサスインスツルメンツは初の完全にプログラム可能なグラフィックプロセッサであるTMS34010をリリースした。 [ 14 ] 1990 年から 1992 年にかけて、このチップはTexas Instruments Graphics Architecture (TIGA) Windows アクセラレータカードの基盤となりました。

IBM 8514 Micro Channel アダプタ（メモリアドオン付き）

1987年、IBM 8514グラフィックスシステムがリリースされました。これは、固定機能の2Dプリミティブを電子ハードウェアに実装したIBM PC互換機向けの最初のビデオカードの1つでした。 1987年にリリースされたシャープのX68000は、65,536色のパレットと、スプライト、スクロール、複数のプレイフィールドのハードウェアサポートを備えたカスタムグラフィックスチップセット[ 15 ]を使用していました。 [ 16 ]これは、カプコンのCPシステムアーケードボードの開発マシンとして使用されました。1989年にリリースされた富士通のFMタウンズコンピュータは、16,777,216色のパレットをサポートしていました。[ 17 ] 1988年には、ナムコシステム21 [ 18 ]とタイトーエアシステム[ 19 ]で、最初の専用のポリゴン3Dグラフィックスボードがアーケードに導入されました。

IBM PS/55のマザーボード上のVGAセクション

IBMは1987年に独自のビデオ・グラフィックス・アレイ（VGA）ディスプレイ規格を導入し、最大解像度は640×480ピクセルでした。1988年11月、NECホームエレクトロニクスは、 VGAの後継となるスーパーVGA（SVGA）コンピュータディスプレイ規格の開発と普及を目的として、ビデオ・エレクトロニクス・スタンダード・アソシエーション（VESA）を設立すると発表しました。スーパーVGAは、グラフィックスディスプレイの解像度を最大800×600ピクセルまで向上させ、56%の向上を実現しました。[ 20 ]

1990年代

ツェンラボET4000/W32p
S3グラフィックスViRGE
Voodoo3 2000 AGP カード

1991年、S3グラフィックス社はS3 86C911を発表しました。設計者は、約束された性能向上を示すため、ポルシェ911にちなんでこのチップを名付けました。 [ 21 ] 86C911は様々な模倣品を生み出し、1995年までには、すべての主要なPCグラフィックスチップメーカーが自社のチップに2Dアクセラレーションのサポートを追加しました。[ 22 ]固定機能のWindowsアクセラレータは、Windowsの性能において高価な汎用グラフィックスコプロセッサを上回り、そのようなコプロセッサはPC市場から姿を消しました。

1990年代前半から中頃にかけて、リアルタイム3D グラフィックスは、アーケード ゲーム、コンピューター ゲーム、およびコンソール ゲームでますます一般的になり、ハードウェア アクセラレーションによる 3D グラフィックスの需要が高まりました。大量販売の 3D グラフィックス ハードウェアの初期の例としては、セガ モデル 1、ナムコ システム 22、セガ モデル 2などのアーケード システム ボードや、サターン、プレイステーション、ニンテンドー 64などの第5 世代ビデオ ゲーム コンソールが挙げられます。1993 年のセガ モデル 2 やSGI Onyxベースのナムコ マジック エッジ ホーネット シミュレーターなどのアーケード システムは、消費者向けグラフィックス カードに登場する何年も前から、ハードウェア T&L (変換、クリッピング、ライティング) が可能でした。[ 23 ] [ 24 ]もう 1 つの初期の例としては、一部のSNESゲーム、特にDoomやStar Foxで使用されているRISCベースのオンカートリッジ グラフィックス チップのスーパー FXチップがあります。一部のシステムでは、 DSPを使用して変換を高速化しました。セガ モデル2アーケードシステムを手がけた富士通[ 25 ]は、1995年に家庭用コンピュータで使用するためにT&Lを単一のLSIソリューションに統合する作業を開始しました。 [ 26 ]富士通 Pinolite は、パーソナルコンピュータ向けの最初の3Dジオメトリプロセッサであり、1997年に発表されました。[ 27 ]家庭用ビデオゲームコンソールの最初のハードウェアT&L GPUは、1996年にリリースされたニンテンドー64のリアリティコプロセッサでした。 [ 28 ]三菱は1997年に、ワークステーションとWindows NTデスクトップ向けの変換と照明が可能なGPUである3Dpro/2MPをリリースしました。 [ 29 ] ATiは、1997年にリリースされたFireGL 4000グラフィックカードにこれを採用しました。 [ 30 ]

「GPU」という用語は、 1994年に発売されたプレイステーションビデオゲームコンソールに搭載された32ビットのソニーGPU （東芝設計）を参考にソニーが造った造語である。 [ 31 ]

2000年代

2002年10月、世界初のDirect3D 9.0アクセラレータであるATI Radeon 9700 （R300とも呼ばれる）の登場により、ピクセルシェーダと頂点シェーダはループ処理と長時間の浮動小数点演算を実装できるようになり、CPUと同等の柔軟性を備えながらも、画像配列演算においては桁違いに高速化しました。ピクセルシェーディングは、オブジェクトに光沢、鈍さ、粗さ、あるいは丸みや押し出し感を与えるテクスチャを追加するバンプマッピングによく使用されます。[ 32 ]

Nvidia GeForce 8シリーズと新しい汎用ストリーム処理ユニットの導入により、GPUはより汎用的なコンピューティングデバイスになりました。並列GPUはCPUに対して計算上の進出を果たしており、GPUコンピューティングまたはGPU上の汎用コンピューティングの略であるGPGPUと呼ばれる研究のサブフィールドは、機械学習、[ 33 ] 、石油探査、科学的画像処理、線形代数、[ 34 ] 、統計、[ 35 ] 、 3D再構築、および株式オプションの価格設定など、さまざまな分野での応用が見つかりました。GPGPUは、現在コンピュートシェーダ（CUDA、OpenCL、DirectComputeなど）と呼ばれるものの先駆けであり、アルゴリズムに渡されるデータをテクスチャマップとして扱い、適切なピクセルシェーダで三角形または四角形を描画することでアルゴリズムを実行することで、実際にハードウェアをある程度酷使していました。これには、スキャンコンバータなどのユニットが不要な場合に関係するため、いくらかのオーバーヘッドが伴います（ピクセルシェーダを呼び出す場合を除き、三角形の操作は問題になりません）。

NVIDIAのCUDAプラットフォームは2007年に初めて導入され[ 36 ] 、 GPUコンピューティングにおいて最も早く広く採用されたプログラミングモデルでした。OpenCLはクロノス・グループによって定義されたオープンスタンダードであり、移植性を重視しながらGPUとCPUの両方に対応したコード開発を可能にします。[ 37 ] OpenCLソリューションはIntel、AMD、NVIDIA、ARMによってサポートされており、2011年のEvans Dataのレポートによると、OpenCLはHPCツールの中で2番目に人気が高まっています。[ 38 ]

2010年代

2010年、NvidiaはAudiと提携して同社の自動車のダッシュボードにTegra GPUを搭載し、自動車のナビゲーションやエンターテインメントシステムの機能を強化した。[ 39 ]自動車におけるGPU技術の進歩は、自動運転技術の進歩にもつながった。[ 40 ] AMDのRadeon HD 6000シリーズカードは2010年に発売され、2011年にはモバイルデバイス向けの6000MシリーズのディスクリートGPUを発売した。[ 41 ] NvidiaのKeplerシリーズのグラフィックカードは2012年に発売され、Nvidia 600および700シリーズカードで使用された。このGPUマイクロアーキテクチャの機能には、ビデオカードのクロック速度を消費電力に応じて増減させる技術であるGPUブーストが含まれていた。[ 42 ] KeplerはNVENCビデオエンコーディングアクセラレーション技術も導入した。

PS4とXbox Oneは2013年に発売され、どちらもAMDのRadeon HD 7850と7790をベースにしたGPUを使用していました。[ 43 ] NvidiaのKeplerシリーズのGPUに続いて、同じプロセスで製造されたMaxwellシリーズがありました。Nvidiaの28nmチップは、 28nmプロセスを使用して台湾のTSMCで製造されました。過去の40nm技術と比較して、この製造プロセスにより、消費電力を抑えながらパフォーマンスが20パーセント向上しました。[ 44 ] [ 45 ]バーチャルリアリティヘッドセットはシステム要件が高く、メーカーは発売時にGTX 970とR9 290X以上を推奨していました。[ 46 ] [ 47 ] Pascalマイクロアーキテクチャをベースにしたカードは2016年に発売されました。GeForce 10シリーズのカードはこの世代のグラフィックカードです。これらは、従来のマイクロアーキテクチャを改良した16nm製造プロセスを使用して製造されています。[ 48 ]

2018年、NvidiaはGPUにレイトレーシングコアを追加し、ライティングエフェクトの性能を向上させたRTX 20シリーズGPUを発売しました。 [ 49 ] AMDのPolaris 11およびPolaris 10 GPUは14nmプロセスで製造されています。これらの発売により、AMDビデオカードのワットあたりの性能が大幅に向上しました。[ 50 ] AMDはまた、NvidiaのハイエンドPascalカードの競合として、 Titan Vと同様に HBM2を搭載したVega GPUシリーズをハイエンド市場向けに発売しました。

2019年、AMDはGraphics Core Next（GCN）マイクロアーキテクチャ／命令セットの後継をリリースしました。RDNAと呼ばれるこのマイクロアーキテクチャ／命令セットを搭載した最初の製品は、Radeon RX 5000シリーズのビデオカードでした。[ 51 ]同社は、RDNAマイクロアーキテクチャの後継は増分（「リフレッシュ」）になると発表しました。AMDは、ハードウェアアクセラレーションによるレイトレーシングに対応したRDNA 2グラフィックスカードであるRadeon RX 6000シリーズを発表しました。 [ 52 ] 2020年後半に発売されたこの製品シリーズは、RX 6800、RX 6800 XT、RX 6900 XTで構成されていました。[ 53 ] [ 54 ] Navi 22をベースにしたRX 6700 XTは、2021年初頭に発売されました。[ 55 ]

PlayStation 5とXbox Series XおよびSeries Sは2020年に発売されました。どちらもRDNA 2マイクロアーキテクチャに基づくGPUを使用しており、各システムの実装では段階的な改良と異なるGPU構成が施されています。[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]

2020年代

2020年代には、GPUは、人工知能の大規模言語モデルに必要な膨大なデータセットを用いたニューラルネットワークのトレーニングなど、非常に並列性の高い問題を含む計算にますます利用されるようになりました。一部の最新ワークステーションのGPUに搭載されている特殊な処理コアは、4×4行列の乗算と除算を使用することでFLOPS性能が大幅に向上するため、ディープラーニング専用となっており、一部のアプリケーションでは最大128TFLOPSのハードウェア性能を実現します。[ 59 ]これらのテンソルコアは、コンシューマー向けカードにも搭載されると予想されています。[ 60 ]

GPU企業

多くの企業が様々なブランド名でGPUを製造しています。2009年には、Intel、Nvidia、AMD / ATIがそれぞれ49.4%、27.8%、20.6%の市場シェアで市場リーダーでした。さらに、Matrox [ 61 ]もGPUを製造しています。Jingjia Microなどの中国企業も国内市場向けにGPUを製造していますが、世界販売台数では市場リーダーに遅れをとっています。[ 62 ]

計算関数

GPU 構成のいくつかの要素が、リアルタイム レンダリング カードのパフォーマンスに影響します。たとえば、半導体デバイス製造におけるコネクタ パスのサイズ、クロック信号の周波数、さまざまなオンチップ メモリキャッシュの数とサイズなどです。パフォーマンスは、NVidia GPU の場合はストリーミング マルチプロセッサ (SM)、AMD GPU の場合はコンピューティング ユニット (CU)、Intel Xe ベース GPU の場合は Xe コアの数によっても影響を受けます。これらは、コア計算を実行する GPU チップ内のオンシリコン プロセッサ コア ユニットの数を表し、通常は GPU 上の他の SM/CU と並行して動作します。GPU のパフォーマンスは通常、1 秒あたりの浮動小数点演算 ( FLOPS ) で測定されます。2010 年代と 2020 年代の GPU は通常、テラフロップス (TFLOPS) で測定されるパフォーマンスを提供します。これは推定パフォーマンス測定であり、実際の表示速度は他の要素によって影響を受ける可能性があります。[ 63 ]

ATI HD5470 GPU (上記、銅製ヒートパイプを取り付けた状態) はUVD 2.1 を搭載しており、AVC および VC-1 ビデオ形式のデコードが可能です。

2DグラフィックAPI

初期のGPUは、 GDIやDirectDrawなど、2Dアクセラレーション用の1つ以上の2DグラフィックスAPIをサポートしている場合があります。[ 64 ]

GPUフォーム

用語

1970年代、「GPU」という用語はもともとグラフィックス・プロセッサ・ユニットの略で、CPUから独立して動作し、グラフィックスの操作と出力を担当するプログラム可能な処理装置を指していました。[ 65 ] [ 66 ] 1994年にソニーは、プレイステーションコンソールの東芝設計のソニーGPUを指して、この用語（グラフィックス処理装置の意味で）を使用しました。[ 31 ]この用語は、1999年にNVIDIAによって普及され、同社はGeForce 256を「世界初のGPU」として販売しました。[ 67 ]これは、「変換、ライティング、三角形のセットアップ/クリッピング、レンダリングエンジンを統合したシングルチッププロセッサ」として発表されました。[ 68 ]ライバルのATIテクノロジーズは、 2002年にRadeon 9700をリリースした際に「ビジュアルプロセッシングユニット（VPU）」という用語を作り出した。[ 69 ] AMD Alveo MA35Dは、 2023年に5nmプロセスを使用したデュアルVPUを搭載している。[ 70 ]

パーソナルコンピュータでは、GPUには主に2つの形式があります。専用グラフィックス（ディスクリートグラフィックスとも呼ばれる）と統合グラフィックス（共有グラフィックスソリューション、統合グラフィックスプロセッサ（IGP）、または統合メモリアーキテクチャ（UMA）とも呼ばれる）です。[ 71 ]

専用グラフィック処理ユニット

専用グラフィック処理ユニット（GPU）は、コンピュータのメインシステムメモリに依存せず、GPU専用のRAMを使用します。このRAMは通常、 GDDR SDRAMなど、グラフィックカードの予想されるシリアルワークロードに合わせて特別に選択されます。専用のディスクリートGPUを搭載したシステムは、「UMA」システムではなく「DIS」システムと呼ばれることがありました。[ 72 ]

3dfxのスキャンラインインターリーブ、Nvidiaのスケーラブルリンクインターフェース（SLI）とNVLink 、AMDのCrossFireなどの技術は、複数のGPUが単一画面に同時に画像を描画することを可能にし、グラフィックスに利用できる処理能力を増加させる。しかし、これらの技術はますます一般的ではなくなってきている。ほとんどのゲームは、ほとんどのユーザーがそれらを購入する余裕がないため、複数のGPUをフルに活用していない。[ 73 ] [ 74 ] [ 75 ]複数のGPUは、スーパーコンピュータ（ Summitなど）やワークステーションでのビデオ（複数のビデオを一度に処理）の加速[ 76 ] [ 77 ] [ 78 ]および3Dレンダリング[79] 、視覚効果（VFX）用[ 80 ]などで依然として使用されている。 [ 80 ]汎用グラフィックス処理装置（GPGPU）のワークロードやシミュレーションに使用され、[ 81 ] AIのトレーニングを迅速化するために使用されます。これは、NvidiaのDGXワークステーションとサーバー、Tesla GPU、IntelのPonte Vecchio GPUのラインナップに当てはまります。

統合グラフィック処理装置

ノースブリッジ/サウスブリッジ システム レイアウトにおける統合 GPU の位置。
HDMI、VGA、DVI 出力ポートを備えた統合グラフィックスを備えたASRockマザーボード。

統合グラフィック処理装置(IGPU) は、統合グラフィック、共有グラフィックソリューション、統合グラフィックプロセッサ(IGP)、または統合メモリアーキテクチャ(UMA) とも呼ばれ、専用グラフィックメモリではなく、コンピュータのシステム RAM の一部を使用します。IGP は、ノースブリッジチップセットの一部としてマザーボードに統合することも、[ 82 ]アクセラレーテッドプロセッシングユニット(AMD APU) やインテル HD グラフィックスなどのように CPU と同じダイ (集積回路)に統合することもできます。特定のマザーボードでは、[ 83 ] AMD の IGP は専用サイドポートメモリを使用できます。これは、GPU 専用の高性能メモリの別の固定ブロックです。2007 年初頭の時点で、統合グラフィックを搭載したコンピュータは、すべての PC 出荷の約 90% を占めています。[ 84 ]専用グラフィック処理よりも実装コストが低くなりますが、機能も劣る傾向があります。歴史的に、統合処理は 3D ゲームやグラフィックを多用するプログラムには不向きですが、Adobe Flash などのグラフィックをあまり使用しないプログラムを実行できると考えられていました。このようなIGPの例としては、2004年頃にSiSとVIAが提供したものが挙げられます。[ 85 ]ただし、AMDアクセラレーテッドプロセッシングユニットやIntelグラフィックステクノロジー（HD、UHD、Iris、Iris Pro、Iris Plus、Xe-LPなど）などの最新の統合グラフィックプロセッサは、2Dグラフィックスや負荷の低い3Dグラフィックスを処理できます。

GPUの計算はメモリを大量に消費するため、統合処理はCPUと比較的低速なシステムRAMを奪い合う可能性があります。これは、専用のビデオメモリがほとんどないか全くないためです。IGPはシステムメモリの帯域幅を現状最大128ギガバイト/秒までしか使用しませんが、ディスクリートグラフィックカードはビデオランダムアクセスメモリ（VRAM）とGPUコア間の帯域幅が1000ギガバイト/秒を超える場合があります[ 86 ]。このメモリバス帯域幅はGPUのパフォーマンスを制限する可能性がありますが、マルチチャネルメモリによってこの不足を軽減できます[ 87 ] 。古い統合グラフィックチップセットにはハードウェア変換とライティング機能はありませんでしたが、新しいチップセットには搭載されています[ 88 ] [ 89 ] 。

統合グラフィックを搭載した最新のAMDプロセッサ、[ 90 ]、統合グラフィックを搭載した最新のIntelプロセッサ、[ 91 ]、Appleプロセッサ、PS5およびXboxシリーズ（その他）などの「統合メモリアーキテクチャ」（UMA）を備えたシステムでは、CPUコアとGPUブロックが同じRAMプールとメモリアドレス空間を共有します。

ストリーム処理と汎用 GPU (GPGPU)

汎用グラフィックス処理装置（GPGPU）をストリームプロセッサやベクタープロセッサの改良版として利用し、計算カーネルを実行するのが一般的です。これにより、最新のグラフィックスアクセラレータのシェーダパイプラインの膨大な計算能力が汎用コンピューティング能力に変換されます。大規模なベクター演算を必要とする特定のアプリケーションでは、従来のCPUよりも桁違いに高いパフォーマンスが得られます。2大ディスクリートGPU設計者であるAMDとNvidiaは、さまざまなアプリケーションでこのアプローチを追求しています。NvidiaとAMDはスタンフォード大学と協力し、タンパク質折り畳み計算を行うFolding@home分散コンピューティングプロジェクト用のGPUベースのクライアントを作成しました。特定の状況下では、GPUは従来このようなアプリケーションで使用されているCPUよりも40倍高速に計算します。[ 92 ] [ 93 ]

GPUベースの高性能コンピュータは、大規模モデリングにおいて重要な役割を果たします。世界で最も高性能なスーパーコンピュータ10台のうち3台は、GPUアクセラレーションを活用しています。[ 94 ]

2005年以降、GPUの性能を進化計算全般、特に遺伝的プログラミングにおける適応度評価の高速化に活用することに関心が集まっています。ほとんどのアプローチでは、線形プログラムまたはツリープログラムをホストPC上でコンパイルし、実行ファイルをGPUに転送して実行します。通常、パフォーマンス上の利点は、GPUのSIMD（単一命令複数データ）アーキテクチャを用いて、単一のアクティブプログラムを多数の例題に対して同時に並列実行することによってのみ得られます。[ 95 ]プログラムをコンパイルせずにGPUに転送し、GPUで解釈させることによっても、大幅な高速化が得られます。[ 96 ]

外部GPU（eGPU）

GPUはノートパソコンの外部バスに接続できます。この目的で使用されるバスはPCI Expressのみです。ポートとしては、ExpressCardポートやmPCIeポート（PCIe ×1、最大5ギガビット/秒または2.5ギガビット/秒）、Thunderbolt 1、2、3ポート（PCIe ×4、最大10ギガビット/秒、20ギガビット/秒、40ギガビット/秒）、Thunderbolt互換のUSB4ポート、OCuLinkポートなどがあります。これらのポートは特定のノートパソコンでのみ利用可能です。[ 97 ] eGPUエンクロージャには専用の電源（PSU）が付属しています。これは、高性能GPUは数百ワットの電力を消費する可能性があるためです。[ 98 ]

エネルギー効率

グラフィックス・プロセッシング・ユニット（GPU）の消費電力は増加し続けており、CPU設計者は近年、ワット当たりの性能向上に注力しています。高性能GPUは大量の電力を消費する可能性があるため、GPUの消費電力を管理するためのインテリジェントな技術が必要です。3DMark2006のワット当たりスコアのような指標は、より効率的なGPUを特定するのに役立ちます。[ 99 ]しかし、多くの時間を負荷の低いタスクに費やしている通常の使用状況では、この指標は効率性を十分に反映していない可能性があります。[ 100 ]

現代のGPUでは、エネルギー消費が最大の計算能力を制約する重要な要素となっています。GPUの設計は通常、非常にスケーラブルであるため、メーカーは複数のチップを同一のビデオカードに搭載したり、複数のビデオカードを並列に動作させたりすることが可能です。システムのピーク性能は、基本的に消費電力と放熱量によって制限されます。したがって、GPU設計のワット当たり性能は、その設計を採用したシステムのピーク性能に直接反映されます。

GPU は汎用計算にも使用されることがあるため、そのパフォーマンスは、ワットあたりの FLOPS など、CPU にも適用される基準で測定されることがあります。

販売

2013年には世界で4億3,830万台のGPUが出荷され、2014年には4億1,420万台に達すると予測されていました。しかし、2022年第3四半期のPC用GPUの出荷台数は約7,550万台となり、前年比19%減少しました。[ 101 ] [ 102 ]

参照

ハードウェア

API

アプリケーション

参考文献

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出典

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