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GPGPUで、GPUがCPUの処理を行う!

GPUが高性能化していった結果、GPUにはGPGPU(General-Purpose computing on GPU)という技術が登場し、画像処理だけでなくCPUのような汎用処理も行うようになりました。CPUの仕事をお手伝いするどころか、条件が揃えばCPUよりも格段に高速処理できます。3D処理機能ばかりが発達しては、3Dゲームをやらないユーザーからは無縁のものと捉えられてしまいますが、CPUの役割もこなすとなれば話が変わってくるわけです。

例としては動画再生支援機能であり、CPUの処理負担を軽減する役割もあります。また、H.264形式のビデオエンコードやスマホ向けに動画ファイルを変換する場合に効果があります。GPUがエンコード作業をすれば、CPUは別の作業にあてることができるのもメリットです。 

※エンコードとは、あるデータを規則に基づいて別形式データに変換すること。動画フォーマットの変換やデータ圧縮、暗号化などを指す。この逆、例えばデータの解凍や暗号解読などがデコードと言われる。

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GPGPU機能である、CUDAとAppアクセラレーション

NVIDIAではCUDA、AMDではApp アクセラレーション(旧Stream)がGPGPU機能に当たります。2008年の後半辺りからパソコン市場でメジャーな存在になってきました。このころより、「1秒間で行える浮動小数点演算の回数」を比較すると、GPUの性能はクアッドコアCPUの20~30倍を超えていると言われました。ゆえに、ソフトの対応など環境が揃えば高速エンコードが利用できます。(余談:マルチGPUの環境であってもエンコード速度は変わらないらしい。ただし2つのエンコーダで同時処理は可能。)


NVIDIA GeForce GTX460のスペックをチェックすると、CUDAほか、PhysX、標準規格としてOpenCL、DirectComputeに対応していることが分かる。動画エンコーダやビデオ編集ソフトなどでこれらの機能が利用されている。

OpenCLとは

インテルやNVIDIA、AMDといったベンダーに左右されず、CPUとGPUを区別せずに利用できるプログラミング環境。こういったことの垣根をなくすための開発環境を標準化したAPI(規約の集合)。物理演算をCPUかGPUかで役割を分けるのではなく、負荷状況に応じて役割を振る。
※OpenCLはOpen Computing Languageの略。コンピュータ言語のオープンってことか。

2008年12月に発売されたレタッチソフト「Photoshop CS4」ではOpenCLが利用できるようになった。2010年に発売したCreative Suite5 (CS 5)では、OpenCLベースで開発されており、GPGPUを正式サポート。
CPUばかりに頼っていた処理が、グラフィックカードの搭載でより快適になる。

Direct Computeとは

NVIDIAのCUDAも、AMDのAppアクセラレーション(旧Stream)も独自のプログラムであり、各メーカーのGPUのみで使えるものである。そのため、アプリメーカーはソフト開発で各プログラムごとに対応させなくてはならなかった。そのため2010年ごろは、「NVIDIA派はあのソフト、AMD派はそっちのソフト」という注意が必要だった。それに各対応ソフトでもGPGPUの使われ方が異なっていた。

そこで登場したのがマイクロソフトの「Direct Compute」というGPGPU用のAPI。

Direct Computeに対応
DirectX 10.x以降のグラフィックカードでDirect Computeに対応していれば、GPUを問わずにGPGPUが使える。(勿論、アプリもDirect Computeに対応が必要だが、開発しやすくなっているし、ユーザーも選択しやすいメリットがある。)

NVIDIAのPhysXとは

PhysXとは物理演算エンジンで、ゲームにおいてはリアリティのある物体挙動が計算できる。PhysXもGPGPU機能のひとつで、CUDAに対応している「NVIDIAのGPU」と対応ゲームであれば利用できる。

PhysXとは
NVIDIAのコントロールパネルでは、自動選択が推奨されている。なお、「NVIDIA PhysXはGPUアクセラレーションを利用して、リアルタイムの優れた物理演算エフェクトを実現する強力な物理演算エンジンです」と記載されている。

デコードとエンコードでは、GPGPUのメリットは薄れている?

しかし、SandyBridge以降のCPUでは「Quick Sync Video 」を内蔵しており、デコードとエンコードの処理が機能強化されています。さらに処理エンジンである「マルチフォーマットコーデック」を大幅強化。本来、エンコードはCPUの得意とすることであり、Quick Sync Video のほうが処理速度が速い傾向にあります。ゆえに、GPGPUのメリットは薄れています。

GPGPU / Quick Sync Video 対応ソフト
CyberLink MediaEspresso6.5、ペガシスTMP GEnc Video Mastering Works 5

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