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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
目次[非表示]
  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やシステムコントローラ(ノースブリッジ)に内蔵されているものもあるが、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。2D画像の描画、3Dオブジェクトの生成(レンダリング)のほか、GPU内で生成された3Dオブジェクト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(1990〜2000年代)

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。

2000年代になると2D専用の汎用グラフィックスコプロセッサはPC向け製品としては用いられなくなり、カーナビゲーションシステムなどの組み込み機器でのみ使われるようになった。

2010年代

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)によるリアルタイム3D描画も取り入れられつつある。OSのウィンドウシステムも3Dで描画されるようになり(WindowsVista以降)、ゲームをしないユーザーも高性能なGPUの恩恵を受けられる。

また、汎用の計算用プロセッサとしての用途(GPGPU)も広がっており、演算に特化して画像出力機能を省いた製品(もはや本来の「GPU」とは言えないが)もある。データの圧縮・伸長(エンコード・デコード)、暗号の解読、物理演算、音声や画像の認識、仮想通貨の採掘、データベース処理などである。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。特に機械学習向けにGPUを集積したサーバの利用がトレンドとなっており、2012年以降の急激な人工知能AI)の進化にはGPUの存在が欠かせない。GPU本来の用途である3Dゲームにおいても、物理演算や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2001年のゲームキューブ(任天堂がATIと共同開発したFlipperを搭載)とこれを引き継いだWiiが最後であり、2010年代以降の据え置きゲーム機は、いずれもパソコン用GPUをベースにした汎用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。

携帯ゲーム機では、PSVitaはPowerVR系GPUを採用。ニンテンドー3DSは、消費電力を減らすため、ゲームで用いられる3Dグラフィック機能に特化した「PICA200」というGPUを搭載している。

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、過去に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。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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