NVIDIA製グラフィックボードに搭載されているCUDAコアについて

2024年3月14日

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NVIDIAは、GPU（Graphics Processing Unit）の分野で世界をリードする企業の一つです。

ゲーミング、クリエイティブ、AI、科学計算など、さまざまな分野で使われる高性能グラフィックボードを提供しており、PCゲームをプレイする人にとっては、必須アイテムとなっています。

特に、NVIDIAのGPUに搭載されている「CUDAコア（Compute Unified Device Architecture Core）」は、高速な並列計算を可能にする中心的なコンポーネントとして注目されています。

そこで、本稿では、CUDAコアの仕組み、役割、利用例、そしてCPUとの違いについて詳しく解説していきます。

CUDAとは何か？

CUDAコアを解説する前に、まずCUDAについて解説します。

CUDAとは、NVIDIAが提供する「並列計算のためのプラットフォームおよびAPI（アプリケーションプログラミングインターフェース）」のことです。

このCUDAを使うことで、開発者はGPUを利用して汎用的な計算（GPGPU：General-Purpose computing on Graphics Processing Units）を実行できるようになります。

従来、GPUは画像処理や3D描画といったグラフィックス処理に特化していましたが、CUDAの登場により、画像処理を超えた科学計算やAI学習、機械学習、物理シミュレーションなど多岐にわたる分野で活用できるようになりました。

そして、CUDAコアとは、CPUにおけるスレッドのような演算処理装置のことです。

主に映像処理の演算を得意としており、GPU内部に数百から数千単位で搭載されています。たとえば、NVIDIAのGeForce RTX 3080には8704個のCUDAコアが搭載されており、これは一般的なCPUのコア数（数個〜十数個）と比較して、何倍もの数です。

CUDAコアは、「SIMD（Single Instruction, Multiple Data）」アーキテクチャを採用しており、同じ命令を複数のデータに対して同時に実行することに優れています。

これにより、画像のフィルタリング、行列演算、大規模なベクトル計算など、大量のデータを一括して処理する並列処理が非常に高速に行えるようになります。

基本的に、高性能なGPUほどCUDAコアが多い傾向にあります。

データセンター用のData Center GPUやワークステーション用のRTX、Quadroシリーズの方が、CUDAコアが多く搭載されていると予想されますが、実際は、個人のゲーム用途や動画編集によく使われるGeForceシリーズの方がコア数が比較的多いです。

例として、現在のGeForceシリーズのフラッグシップであるGeForce RTX 4090はコア数が16384個となっており、下の表を見ると、GeForce RTX 4090がで他のGPUを圧倒しているのがわかります。

NVIDIA GeForceシリーズのコア数一覧

一方で、CUDAコアは数が多くなるほど処理能力が上がる分、消費電力も上がります。

CUDAコアとCPUコアにはいくつかの本質的な違いがあります。

CPUコアは、複雑な制御命令や分岐処理に強く、汎用性に富んだ設計がされていますが、一方で、CUDAコアは単純な演算処理を大量かつ並列に実行するのに特化しており、スループット志向の設計になっています。

この違いにより、タスクの性質によってCPUとGPUを使い分ける必要があります。

たとえば、物理演算やAI学習のように、行列やベクトルの大規模な演算が求められる場面ではCUDAコアが真価を発揮します。

CUDAコアは、ゲームや動画編集だけでなく、近年では以下のような高度な応用分野でも活用されています。

AI／機械学習：ディープラーニングの学習では、大量の行列演算が必要です。NVIDIAのCUDAコアは、TensorFlowやPyTorchなどのライブラリと連携し、高速な学習処理を実現しています。
科学技術計算：分子動力学シミュレーション、気象予測、流体力学などの分野では、大量の数値計算を高速に処理する必要があります。CUDAによってGPUを活用することで、これらの処理が高速で行えます。
映像処理：映像のリアルタイムレンダリングやエンコード／デコード処理、ノイズ除去、カラー補正などでもCUDAは活躍しています。プロフェッショナルな映像制作のワークフローが効率化可能です。
金融工学：モンテカルロシミュレーションやリスク評価など、並列計算が効果的な場面ではCUDAによるGPUアクセラレーションが利用されています。