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GPU

じーぴーゆー

コンピューターにおいて画像表示を司るLSI
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  1. Graphics Processing Unitの略
  2. Gosudarstvennoe Politicheskoe Upravlenieの略。ソ連の秘密警察。
  3. Ground Power Unitの略。空港に駐機している飛行機への電力供給設備。


本稿では1.について説明する。

概要

コンピューターにおいて画像表示を司るLSI(グラフィックコントローラ)のうち、高度な計算機能を持っているもの。マイクロプロセッサの一種で、CPUに内蔵されているものもある。高機能品は高速な専用メモリ(VRAM)と接続された独立プロセッサとなっている。2D3D画像の生成(レンダリング)のほか、3DCGを実際に表示される2D画像へ変換する処理(ジオメトリ演算)、動画の再生を担当する。

歴史

※パソコン・ワークステーション用GPUの歴史を中心に記述する。

前史

初期のグラフィックコントローラは矩形領域転送や図形描画の支援を行うもので性能も低く、専用品ではなく汎用CPUを代用しているものもあった。汎用グラフィックコプロセッサは安価なものでは性能が低すぎ、普及しなかった。妥当な性能のものは回路規模が大きくなりすぎて高価になり、業務用の高価なワークステーションに搭載された。

ドット絵スプライトの表示専用に設計されたものはファミコンPCエンジンに搭載されている。これらゲーム機に搭載された表示回路はゲーム専用に機能を割り切ったために安価となり、一部はMSXなどのパソコンにも転用された。

ウィンドウシステム黎明期~3D表示へ

1990年代に入ると、OpenGLの実行のハードウェア化やWindowsなどのウィンドウシステムの台頭で、パソコンでもグラフィックアクセラレータの需要が高まりだした。初めは、ワンチップのシステムではなく、グラフィックシステム基板として作られていたものも、やがてワンチップ化できるようになり、汎用グラフィックスコプロセッサはウィンドウアクセラレータなどと称してほとんどのパソコンに搭載されるようになった。

そして、MicrosoftのDirectXコンポーネントの1つであるDirect3Dのハードウェア化のために3DCG処理機能が付加され、最初はレンダリングしかできなかったものがジオメトリ演算も行うようになった。さらに1990年代後期には、DVD-Video再生支援や動画の再生支援機能まで備えるものが出てくる。

2D専用の汎用グラフィックスコプロセッサはGPUとして用いられなくなり、カーナビゲーションシステムなどの組み込み機器で広く使われている。

現在

現在のハイエンドのGPUは高度に並列化され、CPUより単純な計算能力ははるかに高い。従来、リアルタイム処理が要求されるコンピュータゲームではラスタライゼーションによる簡易な3D描画が主流であったが、2010年代のゲームでは、大量の演算を要するレイ・トレーシング(従来はレンダリングに時間がかけられる映画などにのみ採用されてきた)による3D描画も取り入れられつつある。

また、汎用の計算用コプロセッサとしての用途も広がっている。物理演算、データの圧縮・伸長(エンコード・デコード)、静止画像の処理、暗号の解読、音声の認識などである。基本的には複雑な計算は苦手であり、膨大なデータに一括で単純な処理を行う用途に向く。GPU本来の用途である3Dゲームにおいても、物理演算や人工知能(AI)など、GPUの汎用演算能力を活かした複雑な処理が実装されるようになっている。

ゲーム機用GPU

ゲーム機はパソコン向けビデオチップと要求される機能が大きくかけ離れていたため、それぞれ専用のカスタムチップを搭載していたが、1998年に登場したドリームキャストはビデオロジックとNECの開発した汎用のGPUであるPowerVRを搭載した。

ゲーム機向けに専用グラフィックチップを独自に開発し搭載したのはプレイステーション2(Graphics Synthesizerを搭載)が最後であり、2001年に登場したゲームキューブ及びxbox以降のゲーム機は、パソコン用GPUを基にしたGPUを搭載している。画像処理能力では発売当時のパソコン向けハイエンド製品に準じる性能を持つ。

組み込みシステム

近年、携帯電話やカーナビゲーションシステムの表示機能の高度化が著しく、組み込みシステムにおいて用いられていたVDPに代わって、プログラマブルシェーダを搭載したGPUが採用されることが増えてきている。特に使用メモリと消費電力を抑える要求から、PowerVRのシェアが高い。

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