グラフィックス処理ユニット

グラフィックス プロセッシング ユニット( GPU )は、当初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、独立したビデオ カードとして、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 コンソールに組み込まれて存在します。当初の設計以降、GPU は並列構造のため、非常に並列な問題を含む非グラフィック計算に有効であることがわかりました。その他の非グラフィック用途には、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あります。

アーケードシステムボードは1970年代から特殊なグラフィック回路を使用しています。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は高価だったため、ビデオチップはディスプレイがモニター上でスキャンアウトされるときに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、CPUが1970年代のミッドウェイとタイトーの様々なアーケードビデオゲーム、ガンファイト（1975）、シーウルフ（1976）、スペースインベーダー（1978）などのフレームバッファーグラフィックスを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ていました。[ 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、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で広く使用されました。 ^[4]

1977 年のAtari 2600では、テレビ インターフェイス アダプタと呼ばれるビデオ シフターが使用されていました。^[5] Atari 8 ビット コンピューター(1979) には、ビデオ プロセッサANTIC が搭載されていました。これは、「ディスプレイリスト」 (スキャン ラインを特定のビットマップモードまたは文字モードにマップする方法と、メモリが格納される場所 (連続したフレーム バッファーは不要)) を記述する命令を解釈するビデオ プロセッサでした。^{[説明が必要] [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 ラインでトリガーできます。 ^{[説明が必要] [7]} ANTIC は、 CPU に依存せずに滑らか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]

NEC μPD7220は、パーソナルコンピュータのグラフィックス表示プロセッサを単一の大規模集積回路（ LSI）チップとして初めて実装した製品である。これにより、 Number Nine Visual Technologyなどの低コストで高性能なビデオグラフィックスカードの設計が可能になった。1980年代半ばまで最もよく知られたGPUとなった。^[9]これは、PC向けの最初の完全統合型VLSI（超大規模集積回路）金属酸化膜半導体（NMOS）グラフィックス表示プロセッサであり、最大1024×1024の解像度をサポートし、台頭しつつあったPCグラフィックス市場の基盤を築いた。多くのグラフィックスカードに使用され、 Intelの最初のグラフィックス処理ユニットであるIntel 82720などのクローン製品にもライセンス供与された。^[10] 1982年に発売されたウィリアムズエレクトロニクスのアーケードゲームRobotron 2084、Joust、Sinistar、Bubblesには、16色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、エリア塗りつぶし用のブリッター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、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おり、ビデオビームと同期してグラフィックス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処理など）、ブリッターを駆動したりできた。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。

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、電子ハードウェアに固定機能の2Dプリミティブを実装したIBM PC互換機用の最初のビデオ 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、および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機能しました。1989 年にリリースされた富士通のFM Townsコンピューターは、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は1987年に最大解像度640×480ピクセルの独自の 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ました。1988年11月、 NECホームエレクトロニクスは、 VGAの後継としてスーパーVGA（SVGA）コンピュータディスプレイ規格を開発および推進するために、ビデオエレクトロニクス標準化協会（VESA）を設立すると発表しました。スーパーVGAにより、グラフィックスディスプレイの解像度は最大800×600ピクセルとなり、36％の増加となりました。^[20]

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、このチップが約束する性能向上の証として、ポルシェ911にちなんでこのチップに名前を付けました。 ^[21] 86C911は様々な模倣品を生み出し、1995年までにすべての主要なPCグラフィックスチップメーカーは、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のパフォーマンス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 年代を通じて、2D GUIアクセラレーションは進化し​​ました。製造能力が向上するにつれて、グラフィックス チップの統合レベルも向上しました。さまざまなタスクのために、Microsoft のWindows 3.x用WinGグラフィックス ライブラリや、Windows 95以降の 2D ゲームのハードウェア アクセラレーション用のDirectDrawインターフェイスなど、追加のアプリケーション プログラミング インターフェイス(API) が登場しました。

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、コンピュータ、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。 大量販売向けの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、 DoomやStar Foxなどの一部のSNESゲームで使用されているRISCベースのオンカートリッジグラフィックスチップであるSuper FXチップがあります。一部のシステムでは、変換を高速化するためにDSP が使用されました。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、1997 年にリリースされました。^[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Nintendo 64のReality Coprocessorでした。 ^[28] 1997 年、三菱は、ワークステーションとWindows NTデスクトップ向けに、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グラフィックス 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PlayStation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 （東芝が設計）を参照してソニーによって造られた。 ^[31]

PC の世界では、低コスト 3D グラフィックス チップの注目すべき失敗した試みとして、S3 ViRGE、ATI Rage、Matrox Mystiqueなどがあります。これらのチップは、本質的には前世代の 2D アクセラレータに 3D 機能を取り付けたものでした。実装の容易さとコストの最小化のため、多くは前世代のチップとピン互換でした。当初、3D グラフィックスは、 PowerVRや3dfx Voodooなどの 3D 機能の高速化専用のディスクリート ボード (2D グラフィカル ユーザー インターフェイス (GUI) の高速化はまったくありませんでした) でのみ可能でした。しかし、製造技術が進歩するにつれて、ビデオ、2D GUI 高速化、3D 機能がすべて 1 つのチップに統合されました。RenditionのVeriteチップセットは、これをうまく実現した最初のチップの 1 つでした。 1997年、RenditionはHerculesおよびFujitsuと共同で「Thriller Conspiracy」プロジェクトを実施し、NvidiaのGeForce 256より何年も前にFujitsu FXG-1 PinoliteジオメトリプロセッサとVérité V2200コアを組み合わせて完全なT&Lエンジンを搭載したグラフィックカードを作成しました。このカードはシステムのCPUにかかる負荷を軽減するように設計されていましたが、市場には登場しませんでした。^[要出典] NVIDIA RIVA 128は、チップ上に3D処理ユニットと2D処理ユニットを統合した最初の消費者向けGPUの1つでした。

OpenGL は90 年代初めに SGI によってプロフェッショナル グラフィックス API として導入され、3D ラスタライゼーション用の独自のハードウェア サポートを備えていました。1994 年にMicrosoft は、ジュラシック パーク、ターミネーター 2、タイタニックなどの初期の CGI 映画のヒット作で使用された主要な CGI 映画制作ツールである Softimage を買収しました。この契約により、SGI との戦略的関係と SGI の OpenGL ライブラリの商用ライセンスがもたらされ、Microsoft は API を Windows NT OS に移植できるようになりましたが、次期リリースの Windows '95 には移植できませんでした。当時はあまり知られていませんでしたが、SGI は Microsoft と契約して Unix から次期リリースの Windows NT OS に移行していましたが、1995 年に締結された契約は 1998 年まで公表されませんでした。その間、Microsoft は SGI と緊密に協力して OpenGL を Windows NT に移植しました。 1994 年に Microsoft は DirectX 1.0 と、次期 Windows '95 コンシューマー OS でのゲームのサポートを発表し、'95 年には英国を拠点とする Rendermorphics Ltd の買収と、コンシューマー 3D グラフィックスの高速化のための Direct3D ドライバー モデルを発表しました。Direct3D ドライバー モデルは、1996 年に DirectX 2.0 とともに出荷されました。これには、3D チップ メーカーが 3D テクスチャ、ライティング、Z バッファリングのサポートを競うための標準と仕様が含まれていました。後に AMD に買収されることになる ATI は、最初の Direct3D GPU の開発を開始しました。Nvidia は、1996 年の Sega との契約失敗からすぐに方向転換し、Direct3D のサポートを積極的に採用しました。この時代に Microsoft は社内の Direct3D チームと OpenGL チームを統合し、SGI と緊密に連携して、産業用とコンシューマー用の両方の 3D グラフィックス ハードウェア アクセラレータのドライバー標準を統一しました。 Microsoft は、3D チップ メーカー向けに「Meltdowns」と呼ばれる年次イベントを開催し、3D ハードウェアとドライバーが Direct3D と OpenGL の両方で動作することをテストしました。Microsoft が 3D 標準に強い影響力を及ぼしていたこの時期に、3D アクセラレータ カードは単なるラスタライザーから、より強力な汎用プロセッサへと進化しました。ハードウェア アクセラレーションによるテクスチャ マッピング、ライティング、Z バッファリング、コンピューティングのサポートによって、現代の GPU が誕生したのです。この時期に、Direct3D と OpenGL ドライバーの標準化を担当していた同じ Microsoft チームが、独自の Microsoft 3D チップ設計であるTalisman を導入しました。この時代の詳細は、Russel Demaria 著の「Game of X」v.1 および v.2、Mike Drummond 著の「Renegades of the Empire」、Dean Takahashi 著の「Opening the Xbox」、David Kushner 著の「Masters of Doom」などの書籍に詳しく記載されています。Nvidia GeForce 256(NV10 とも呼ばれる) は、ハードウェア アクセラレーション T&L を備えた最初のコンシューマー レベルのカードでした。OpenGL API はテクスチャ マッピングとライティングのソフトウェア サポートを提供しましたが、これらの機能の最初の 3D ハードウェア アクセラレーションは、最初のDirect3D アクセラレーション コンシューマー GPUとともに登場しました。

Nvidia は、プログラム可能なシェーディングが可能なチップ、GeForce 3 を初めて製造しました。各ピクセルは、追加の画像テクスチャを入力として含めることができる短いプログラムで処理できるようになり、各幾何学的頂点も同様に、画面に投影される前に短いプログラムで処理できるようになりました。Xbox コンソールで使用されたこのチップは、ハードウェア アクセラレーションによる頂点処理にカスタム ベクター ユニット (一般に VU0/VU1 と呼ばれる) を使用した PlayStation 2 のチップと競合しました。Xbox で使用されたシェーダー実行エンジンの最も初期の形態は汎用ではなく、任意のピクセル コードを実行できませんでした。頂点とピクセルは、独自のリソースを持つ異なるユニットで処理され、ピクセル シェーダーにはより厳しい制約がありました (頂点よりも高い周波数で実行されるため)。ピクセル シェーディング エンジンは、実際には高度にカスタマイズ可能な関数ブロックに似ており、実際にプログラムを「実行」することはありませんでした。頂点シェーディングとピクセル シェーディング間のこれらの相違点の多くは、統合シェーダー モデルが登場するまで解決されていませんでした。

2002年10月、世界初のDirect3D 9.0アクセラレータであるATI Radeon 9700（別名R300）の導入により、ピクセルシェーダと頂点シェーダはループ処理と長い浮動小数点演算を実装できるようになり、CPUと同等の柔軟性を持ちながら、画像配列操作では桁違いに高速化しました。ピクセルシェーディングは、バンプマッピングによく使用され、テクスチャを追加して、オブジェクトに光沢、鈍さ、ざらつき、丸み、押し出しなどの外観を与えます。^[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 に対して計算面で進出しており、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 と呼ばれる研究分野は、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、株式オプションの価格設定など、さまざまな分野で応用されています。GPGPUは、現在コンピュート シェーダ (CUDA、OpenCL、DirectCompute など) と呼ばれてい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して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悪用していました。^{[説明が必要]}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、オーバーヘッドが発生します(ピクセル シェーダを呼び出す場合を除き、三角形の操作も問題になりません)。^{[説明が必要]}

2007年に初めて導入されたNvidiaのCUDAプラットフォーム^[36]は、 GPUコンピューティングで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、 Khronos Groupによって定義されたオープンスタンダードであり、移植性を重視したGPUとCPUの両方の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2番目に人気のあるHPCツールになりました。^[38]

2010年、NvidiaはAudiと提携し、 Tegra GPUを使用して自動車のダッシュボードに電力を供給し、自動車のナビゲーションおよびエンターテイメントシステムの機能を強化しました。^[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貢献しました。^[40] AMDのRadeon HD 6000シリーズカードは2010年にリリースされ、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をリリースしました。^[41] NvidiaのKeplerグラフィックカードラインは2012年にリリースされ、Nvidiaの600および700シリーズカードで使用されました。 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調整して、消費電力に応じて速度を増減する技術であるGPUブーストが含まれていました。^[42] Keplerマイクロアーキテクチャは28 nmプロセスで製造されました^{[説明が必要]}。

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を採用している。^[43] NvidiaのKeplerシリーズのGPUに続いてMaxwellシリーズが同じプロセスで製造された。Nvidiaの28nmチップは、台湾のTSMCで28nmプロセスを使用して製造された。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パーセント向上した。^{[44] [45]}バーチャルリアリティヘッドセットには高いシステム要件があり、メーカーは発売時にGTX 970とR9 290X以上を推奨していた。^{[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ある。これらは、以前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] Nvidiaは、新しい}Voltaアーキテクチャの下で1つの非消費者向けカード、Titan Vをリリースしました。PascalのハイエンドカードであるTitan XPからの変更点には、CUDAコアの数の増加、テンソルコアの追加、およびHBM2が含まれます。テンソルコアはディープラーニング用に設計されており、高帯域幅メモリは、非常に広いメモリバスを提供するオンダイでスタックされた低クロックメモリです。Titan Vがゲーミングカードではないことを強調するために、Nvidiaは消費者向けゲーミングカードに追加される「GeForce GTX」サフィックスを削除しました。

2018年、NvidiaはGPUにレイトレーシングコアを追加し、照明効果のパフォーマンスを向上させた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パフォーマンスが大幅に向上しました。^[50] AMDはまた、Titan Vと同様にHBM2を搭載したNvidiaのハイエンドPascalカードのライバルとして、ハイエンド市場向けにVega GPUシリーズを発売しました 。

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と呼ばれるこの技術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（つまりリフレッシュ）になると発表した。AMDは、ハードウェアアクセラレーションレイトレーシングをサポートする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年初頭に発売された。^[55]

PlayStation 5とXbox Series XおよびSeries Sは2020年に発売され、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善と異なるGPU構成が採用されています。^{[56] [57] [58]}

Intel は1990 年代後半に初めてGPU 市場に参入しましたが、当時の競合他社に比べて 3D アクセラレータの性能はいまいちでした。ハイエンド メーカーの Nvidia や ATI/AMD と競争するのではなく、Intel Graphics Technology GPU をマザーボード チップセットに統合し始めました。最初は Pentium III 用のIntel 810で、後に CPU に統合しました。2009 年にはIntel Atom 'Pineview'ラップトップ プロセッサから始まり、2010 年にはIntel Coreラインの第 1 世代のデスクトップ プロセッサ、そして現代の Pentium や Celeron に続きました。その結果、Intel CPU を搭載したコンピューターの大半がこの組み込みグラフィック プロセッサも搭載していたため、名目上の市場シェアは大きくなりました。これらのプロセッサは、一般にディスクリート プロセッサに比べて性能が劣っていました。Intel は 2022 年にArcシリーズでディスクリート GPU 市場に再参入し、当時最新の GeForce 30 シリーズや Radeon 6000 シリーズ カードと競争力のある価格で競合しました。^[要出典]

2020年代には、大規模な言語モデルに必要な膨大なデータセットでのニューラルネットワークのトレーニングなど、並列処理が困難な問題を含む計算にGPUがますます使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してFLOPSパフォーマンスが大幅に向上し、一部のアプリケーションでは最大128TFLOPSのハードウェアパフォーマンスが得られるため、ディープラーニング専用になっています。^[59]これらのテンソルコアは、コンシューマーカードにも搭載されると予想されています。^{[更新が必要] [60]}

^{多くの企業が、} さまざまなブランド名でGPUを生産しています。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シェアトップでした。さらに、Matrox ^{[61]もGPUを生産しています。現代のスマートフォンでは、主に}QualcommのAdreno GPU 、Imagination TechnologiesのPowerVR GPU 、ARMのMali GPUが使用されています。

現代の GPU は伝統的に、トランジスタのほとんどを3D コンピュータ グラフィックスに関する計算に使用してきました。3D ハードウェアに加えて、今日の GPU には基本的な 2D アクセラレーションとフレームバッファ機能 (通常は VGA 互換モード付き) が含まれています。AMD/ATI HD5000 ～ HD7000 などの新しいカードには専用の 2D アクセラレーションがありません。これは 3D ハードウェアによってエミュレートされます。GPU は当初、テクスチャマッピングとポリゴンのレンダリングというメモリを大量に消費する作業を高速化するために使用されていました。後に、頂点の回転や異なる座標系への変換などの幾何学的計算を高速化するためのユニット^{[明確化が必要]}が追加されました。GPU の最近の開発には、CPUでサポートされているのと同じ操作の多くを使用して頂点とテクスチャを操作できるプログラマブル シェーダのサポート、エイリアシングを削減するためのオーバーサンプリングと補間の手法、非常に高精度な色空間などがあります。

GPU 構造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 ディスクリート 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 チップ内のコア オンシリコン プロセッサ 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。^[62]

1995 年以降に製造されたほとんどの GPU は、デジタル ビデオの再生に重要なYUV カラー スペースとハードウェア オーバーレイをサポートしており、2000 年以降に製造された多くの GPU は、動き補正やiDCTなどのMPEGプリミティブもサポートしています。ビデオ デコードプロセスとビデオ後処理の一部がGPU ハードウェアにオフロードされるこのハードウェア アクセラレーション ビデオ デコードは、一般に「GPU アクセラレーション ビデオ デコード」、「GPU 支援ビデオ デコード」、「GPU ハードウェア アクセラレーション ビデオ デコード」、または「GPU ハードウェア 支援ビデオ デコード」と呼ばれます。

最近のグラフィック カードは、カード上で高解像度のビデオをデコードし、中央処理装置の負荷を軽減します。GPUアクセラレーションによるビデオ デコードの最も一般的なAPI は、 Microsoft Windowsオペレーティング システムの場合はDxVA 、 Linux ベースおよび UNIX 系オペレーティング システムの場合はVDPAU、VAAPI、XvMC、XvBAです。XvMC を除くすべての API は、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4 ASP (MPEG-4 Part 2)、MPEG-4 AVC (H.264 / DivX 6)、VC-1、WMV3 / WMV9、Xvid / OpenDivX (DivX 4)、およびDivX 5コーデックでエンコードされたビデオをデコードできますが、XvMC は MPEG-1 と MPEG-2 のみをデコードできます。

専用のハードウェアビデオデコードおよびエンコードソリューションがいくつかあります。

最新の GPU ハードウェアによって高速化できるビデオ デコード プロセスは次のとおりです。

• モーション補償 (mocomp)
• 逆離散コサイン変換 (iDCT)
  • 逆テレシネ3:2および2:2プルダウン補正
• 逆修正離散コサイン変換(iMDCT)
• インループデブロッキングフィルタ
• フレーム内予測
• 逆量子化（IQ）
• 可変長デコード（VLD）、一般的にはスライスレベルアクセラレーションとして知られています
• 空間的・時間的デインターレースと自動インターレース/プログレッシブソース検出
• ビットストリーム処理（コンテキスト適応型可変長符号化/コンテキスト適応型二進算術符号化）と完璧なピクセル配置

これらの操作は、ビデオ編集、エンコード、トランスコーディングにも応用できます。

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。^[63]

GPU は、DirectX、Metal、OpenGL、OpenGL ES、Vulkanなどの 1 つ以上の 3D グラフィックス API をサポートできます。

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、グラフィックス操作と出力を担当するCPUから独立して動作するプログラム可能な処理ユニットを指していました。^{[64] [65]} 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（現在はグラフィックス・プロセッシング・ユニットの略）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。^{[66]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。 ^[67]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」またはVPUという用語を作り出した。 ^[68] AMD Alveo MA35Dは、 2023年に5nmプロセスを使用するデュアルVPUを搭載している。^[69]

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、それぞれに多くの同義語があります。^[70]

• 専用グラフィックスはディスクリート グラフィックスとも呼ばれます。
• 統合グラフィックスは、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)とも呼ばれます。

ほとんどの GPU は、特定の用途、リアルタイム 3D グラフィックス、またはその他の大量計算向けに設計されています。

1. ゲーム
   • GeForce GTX、RTX
   • エヌビディアタイタン
   • Radeon HD、R5、R7、R9、RX、​​Vega、Navi シリーズ
   • ラデオンVII
   • インテルアーク
2. クラウドゲーム
   • エヌビディアグリッド
   • ラデオンスカイ
3. ワークステーション
   • エヌビディア クアドロ
   • エヌビディアRTX
   • AMD ファイアプロ
   • AMD Radeon Pro
   • インテル アークプロ
4. クラウドワークステーション
   • エヌビディア テスラ
   • AMD ファイアストリーム
5. 人工知能トレーニングとクラウド
   • エヌビディア テスラ
   • AMD ラデオン インスティンクト
6. 自動運転車
   • Nvidiaドライブ PX

専用グラフィック処理ユニットは、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、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（ GDDRを参照）。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もあります（次のセクションを参照）。^[71]

専用 GPU は必ずしも取り外し可能ではなく、マザーボードと標準的な方法で接続する必要もありません。「専用」という用語は、グラフィック カードにカード専用の RAM があるという事実を指し、ほとんどの専用 GPU が取り外し可能であるという事実を指しているわけではありません。ポータブル コンピューターの専用 GPU は、サイズと重量の制約により、非標準の、多くの場合は独自のスロットを介して接続されるのが一般的です。このようなポートは、対応するポートと物理的に交換可能ではない場合でも、論理ホスト インターフェイスの点では PCIe または AGP と見なされることがあります。

専用 GPU を搭載したグラフィック カードは、通常、PCI Express (PCIe) やAccelerated Graphics Port (AGP)などの拡張スロットを介してマザーボードと接続します。マザーボードがアップグレードに対応していれば、比較的簡単に交換またはアップグレードできます。一部のグラフィック カードは依然としてPeripheral Component Interconnect (PCI) スロットを使用していますが、帯域幅が非常に限られているため、通常は PCIe または AGP スロットが利用できない場合にのみ使用されます。

3dfxのスキャンラインインターリーブ、NvidiaのSLIとNVLink 、AMDのCrossFireなどのテクノロジーにより、複数のGPUが単一画面に同時に画像を描画できるようになり、グラフィックスに使用できる処理能力が向上します。ただし、これらのテクノロジーはますます一般的ではなくなりつつあります。ほとんどのゲームでは、ほとんどのユーザーが購入できないため、複数のGPUをフルに活用していません。^{[72] [73] [74]複数のGPUは、スーパーコンピューター（} 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）^{[75] [76] [77]}および3Dレンダリング^[78]、VFX ^[79 ] 、GPGPUワークロードおよびシミュレーション^[80] 、およびAIでのトレーニングの迅速化（NvidiaのDGXワークステーションおよびサーバー、Tesla GPU、およびIntelのPonte Vecchio GPUの場合）でまだ使用されています。

統合グラフィック処理装置(IGPU)、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) は、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、^[81] CPU と同じダイ (集積回路)に統合することもできます ( AMD APUやIntel HD Graphicsなど)。特定のマザーボードでは、^[82] 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、^{[アップデート]}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。^{[83] [更新が必要]}統合グラフィック処理は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、機能が低い傾向があります。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と考えられていましたが、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であれば実行できました。このようなIGPの例としては、2004年頃にSiSやVIAが提供した製品が挙げられます。^[84]ただし、AMD Accelerated Processing UnitやIntel Graphics Technology（HD、UHD、Iris、Iris Pro、Iris Plus、Xe-LP）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少ない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る。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ある。IGPはシステムメモリを現在の最大128GB/sの帯域幅で利用するが、ディスクリートグラフィックカードはVRAMとGPUコアの間で1000GB/s以上の帯域幅を持つ場合がある。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るが、マルチチャネルメモリはこの欠陥を緩和することができる。^[85]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がなかったが、新しいチップセットにはそれが備わっている。^{[86] [87]}

「統合メモリアーキテクチャ」（UMA）を備えたシステムでは、統合グラフィックスを備えた最新のAMDプロセッサ^[88] 、統合グラフィックスを備えた最新のIntelプロセッサ^[89]、Appleプロセッサ、PS5およびXboxシリーズ（その他）など、CPUコアとGPUブロックは同じRAMプールとメモリアドレス空間を共有します。これにより、システムはメモリニーズに基づいてCPUコアとGPUブロック間でメモリを動的に割り当てることができます（RAMの大きな静的分割は必要ありません）。また、ゼロコピー転送のおかげで、物理的に分離されたRAMプール間でバス（コンピューティング）を介してデータをコピーしたり、単一の物理RAMプール上の別々のアドレス空間間でコピーしたりする必要がなくなり、より効率的なデータ転送が可能になります。

ハイブリッド GPU は、ローエンドのデスクトップおよびノー​​トブック市場で統合グラフィックスと競合します。最も一般的な実装は、ATI のHyperMemoryと Nvidia のTurboCacheです。

ハイブリッド グラフィック カードは統合グラフィック カードよりは多少高価ですが、専用グラフィック カードよりははるかに安価です。システムとメモリを共有し、システム RAM の高レイテンシを補うために小さな専用メモリ キャッシュを備えています。これは PCI Express のテクノロジによって可能になりました。これらのソリューションは最大 768 MB の RAM を搭載していると宣伝されることもありますが、これはシステム メモリと共有できる容量を指します。

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(またはベクタープロセッサ)の改良版として使用し、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 よりも数桁高いパフォーマンスが得られます。2 大ディスクリート (上記の「専用グラフィックス処理装置」を参照) 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 はどちらもスタンフォード大学と提携し、タンパク質の折り畳み計算用の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。特定の状況では、GPU は、このようなアプリケーションで従来使用されている CPU よりも 40 倍高速に計算します。^{[90] [91]}

GPGPU は、レイ トレーシングを含む多くの種類の並列タスクに使用できます。一般的に、GPGPU は、GPU の 広いベクトル幅のSIMDアーキテクチャを活用するためにデータ並列性を発揮する高スループット計算に適しています。

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。世界で最も強力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。^[92]

GPU は、 OpenCLやOpenMPなどのCプログラミング言語の API 拡張機能をサポートしています。さらに、各 GPU ベンダーは、自社のカードでのみ機能する独自の API を導入しました。AMDのAMD APP SDKとNvidia のCUDAです。これらにより、コンピューティング カーネルと呼ばれる関数をGPU のストリーム プロセッサで実行できます。これにより、C プログラムは GPU の能力を活用して大規模なバッファーを並列に操作し、適切な場合には CPU も使用できます。CUDA は、CPU ベースのアプリケーションがグラフィックス API の使用による制限なしに、より汎用的なコンピューティングのために GPU のリソースに直接アクセスできるようにした最初の API でした。^[要出典]

2005 年以来、GPU が提供するパフォーマンスを一般的な進化計算、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使用することに関心が寄せられてきました。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、実行可能ファイルを 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アーキテクチャを使用して、単一のアクティブ プログラムを同時に多くの例題で並列に実行することによってのみ得られます。 ^[93]ただし、プログラムをコンパイルせず、代わりに GPU に転送してそこで解釈することによっても、大幅な高速化が得られます。^[94]その場合、複数のプログラムを同時に解釈するか、複数の例題を同時に実行するか、またはその両方を組み合わせることで高速化を実現できます。最新の GPU は、数十万の非常に小さなプログラムを同時に解釈できます。

外付け GPU は、コンピューターのハウジングの外側にあるグラフィック プロセッサで、大型の外付けハード ドライブに似ています。外付けグラフィック プロセッサは、ラップトップ コンピューターで使用されることがあります。ラップトップには、大量の RAM と十分に強力な中央処理装置 (CPU) が搭載されている場合もありますが、強力なグラフィック プロセッサが搭載されていないことが多く、代わりに、それほど強力ではないものの、よりエネルギー効率の高いオンボード グラフィック チップが搭載されています。オンボード グラフィック チップは、ビデオ ゲームをプレイしたり、ビデオ編集や 3D アニメーション/レンダリングなどのグラフィックを多用するタスクを実行するには、多くの場合、十分なパワーがありません。

したがって、GPU をノートブックの外部バスに接続することが望ましい。この目的で使用されるバスはPCI Expressのみである。ポートは、たとえばExpressCardまたはmPCIeポート (PCIe ×1、それぞれ最大 5 または 2.5 Gbit/s)、Thunderbolt 1、2、または 3 ポート (PCIe ×4、それぞれ最大 10、20、または 40 Gbit/s)、Thunderbolt 互換の USB4 ポート、またはOCuLinkポートである。これらのポートは、特定のノートブック システムでのみ使用可能である。^{[95] [96]}強力な GPU は数百ワットを消費するため、eGPU エンクロージャには独自の電源 (PSU) が含まれている。^[97]

外付けGPUに対するベンダー公式サポートが普及しつつある。画期的な出来事は、AppleがMacOS High Sierra 10.13.4で外付けGPUをサポートすることを決定したことだ。^[98] 大手ハードウェアベンダー数社（HP、Razer）がThunderbolt 3 eGPUエンクロージャをリリースした。^{[99] [100]}このサポートは、愛好家によるeGPU実装を後押ししている。^{[説明が必要] [101]}

2013年には、全世界で4億3,830万台のGPUが出荷され、2014年には4億1,420万台になると予測されていました。しかし、2022年第3四半期までに、統合型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。^{[104] [更新が必要] [105]}

• AMD グラフィックス プロセッシング ユニットの一覧
• Nvidia グラフィック プロセッシング ユニットの一覧
• Intel グラフィックス プロセッシング ユニットの一覧
• ディスクリートおよび統合グラフィックス プロセッシング ユニットの一覧
• インテル GMA
• ララビー
• Nvidia PureVideo – DXVA を搭載したハードウェア GPU でのビデオ デコードを高速化するためにグラフィック チップで使用されるNvidiaのビット ストリーム テクノロジ。
• ソニック
• UVD (Unified Video Decoder) – ATI のビデオ デコード ビット ストリーム テクノロジで、DXVA によるハードウェア (GPU) デコードをサポートします。

• GPU クラスター
• Mathematica – CUDAおよびOpenCL GPU実行の組み込みサポートが含まれています
• GPU による分子モデリング
• Deeplearning4j – Java 向けオープンソース分散ディープラーニング

• ペディ、ジョン（2023年1月1日）。GPUの歴史 - 新たな展開。シュプ​​リンガーネイチャー。ISBN 978-3-03-114047-1. OCLC  1356877844.

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