GPUとは?CPUとはどう違う?利用例についても解説


GPUとは?CPUとはどう違う?利用例についても解説

GPU(Graphics Processing Unit)とは画像処理に特化した演算装置で、グラフィックボードの主要な部品でもあります。

最近は画像処理以外の目的にも使われるため、ますます需要が増しているパーツです。

この記事ではGPUの役割と用途について、わかりやすく解説します。

仮想通貨のマイニングについても簡単に解説しますので、ぜひ最後まで読んでみてください!

目次
  1. CPUとGPUの違い
  2. コンピューターの構成
  3. CPUとGPUは具体的にどう違う?
  4. GPUのコア数と画像処理
  5. GPUの利用例
  6. 機械学習の処理
  7. 仮想通貨のマイニング
  8. GPUの性能をチェックする方法
  9. まとめ

CPUとGPUの違い

まずはCPU(中央演算処理装置)とGPU(画像演算処理装置)の違いから解説していきますね。

コンピューターの構成

コンピューターは5大装置から構成されています。

[5大装置の概要]

  1. 入力装置・・・キーボード、マウス
  2. 記憶装置・・・メモリー、SSD、ハードディスク
  3. 演算装置・・・CPU、GPU
  4. 出力装置・・・ディスプレイ、プリンター、スピーカー
  5. 制御装置・・・CPU

CPUとGPUはともに演算装置ですが、CPUは制御装置も兼ねており、コンピューターの司令塔にもたとえられます。

コンピューター内部での処理は、キーボードから入力された情報をメモリーに記憶し、演算した結果をディスプレイに出力するという流れです。

制御装置はメモリーからプログラムを読み込み、他の装置に命令を出してコンピューター全体の処理を管理します。

CPUとGPUは具体的にどう違う?

さらにCPUとGPUの違いについて掘り下げていきましょう。

CPUは演算装置と制御装置を兼ねており、さまざまな種類の演算を順番におこなうのに向いています。

たとえばファイルを開いて内容をメモリーに読み込む、保存してファイルを閉じるなど、他の装置を制御して順に処理するのがCPUの役目です。

それに比べGPUはCPUよりもコア数が多く、同じ計算を並行して一気におこなうのが得意です。

コアとはCPUやGPUのなかで、演算処理を実行する部分です。CPUのコア数は2個〜8個程度ですが、GPUのコア数は数千〜一万個となり桁が違います。

ただしCPUとGPUはそもそも役割が違うため、コア数だけで単純には比較できません。

GPUのコア数と画像処理

コア数の違いは、画像処理にどう生きるのでしょうか。

たとえば画像の色を変える処理では、1ピクセルごとに全部の色を変更します。

このとき1ピクセルずつ順番に処理すると長時間かかりますが、コア数の多いGPUで大量のピクセルを平行して処理すれば一瞬で終わるのです。

3DCGの場合も同様で、物体の面をあらわすポリゴン(三角形)の頂点ひとつひとつに対し、一気に並列処理をおこないます。

このようなピクセルや頂点の画像処理には、行列計算を使います。

GPUの利用例

行列計算に強いGPUは最近、画像処理以外にも利用されるようになりました。

画像処理以外の目的で用いるGPUを、GPGPU(General Purpose computing on GPU)と呼びます。

機械学習の処理

機械学習の処理には、大規模な行列計算が必須です。

人工知能の研究では従来、スーパーコンピューターが利用されていました。

しかし日本の研究者によってGPUと機械学習との相性がよいことが発見され、今日ではGPUが多く利用されています。

ただしGPUは画像処理に特化したつくりになっており、そのままでは他の用途に使えません。

そのためアメリカの半導体メーカーであるNVIDIAが、GPUをより汎用的に使うための統合開発環境"CUDA"を開発しました。

現在、機械学習に利用されるGPUのほとんどがNVIDIA製品です。

それに対抗してGoogleは、機械学習に特化した演算処理装置であるTPU(Tensor Processor Unit)を開発し、自社サービスに利用しています。

仮想通貨のマイニング

仮想通貨のマイニングにも、大量の並列演算が必要になります。

ビットコインなどほとんどの仮想通貨に共通するのが、ブロックチェーンと呼ばれるしくみです。

ブロックチェーンでは仮想通貨の取引が、チェーン状につながり管理されています。

この取引(チェーン)に間違いがないことを証明するために、大量の演算が必要なのです。

そのため演算をおこなった人には、報酬として仮想通貨がもらえます。これがマイニングです。

以上のようなしくみにより、仮想通貨のデータは中央にサーバーがなくても、取引をするコンピューター間で分散処理されます。

最近ビットコインが急激に値上がりし、マイニングのために高性能のGPUを搭載したグラフィックボードの需要が増加しています。

GPUの性能をチェックする方法

GPUはマザーボード(メインの基板)か、グラフィックボードに配置されているのが一般的です。

また場合によっては、GPUが搭載されていないコンピューターもあります。

GPUの性能を確認するには、以下のような方法があります。

  • Windows・・・DirectX診断ツール、またはGPU-Z(フリーソフト)を使う
  • Mac・・・左上のアップルメニューから"このMacについて"を選択する

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出典:窓の杜

とくにWindowsの場合はGPU-Zを使えば、上図のように消費電力やGPU利用率、温度など他のツールでは取得できないデータを得ることが可能です。

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まとめ

近年さまざまな用途で利用されている、GPUについて解説しました。

GPUをはじめコンピューターの構成要素を知ることは、プログラミングにおいても重要です。

コンピューター内でのデータの流れを考えてプログラミングすれば、より速く正確なプログラムが組めるようになります。

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鳥飼千愛
この記事を書いた人
鳥飼千愛
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