目次

本書について

本書の構成

本書の読者対象および必要となる前提知識について

第1章　［入門］プロセッサとGPU

1.1　コンピュータシステムと画像表示の基礎　……フレームバッファ、VRAM、ディスプレイインターフェース

• コンピュータで画像を表示する仕組み
• 画像を表示するディスプレイ　……ブラウン管とラスタースキャン
• 液晶ディスプレイ　……液晶セル、ピクセル、dpi
  • 液晶セルのアクセス　……互換性が高いスキャン方法
  • Column　……プロセッサの構造と動き
• フレームバッファとディスプレイインターフェース

1.2　3Dグラフィックスの歴史　……文字から図、2D、3Dへ。高品質とリアルタイム

• 初期のグラフィックス
• コンピュータグラフィックスの利用の広がり　……高品質画像、リアルタイム描画
• 3次元物体のモデル化と表示

1.3　3Dモデルの作成　……パネル、座標、配置、光

• 張りぼてモデルを作る　……パネル、ローカル座標とグローバル座標
• マトリクスを掛けて位置や向きを変えて配置を決める　……モデリング変換、視点変換、モデリングビュー変換、トランスポーズ
• 光の反射を計算する　……ライティング

1.4　CPUとGPUの違い　……プロセッサも適材適所

• GPUは並列処理で高い性能を実現する　……数十～数千個の演算器、GDDR DRAM
• GPUの出現
• GPUコンピューティングの出現　……浮動小数点演算で広がった活躍の場
• GPUは超並列プロセッサ　……デスクトップPC向けCPUとゲーム向けGPUの比較
  • GPUは、並列に実行できない処理は苦手
• CPUとGPUのヘテロジニアスシステムと、抱える問題
  • Column　……整数と浮動小数点数
  • ヘテロジニアス構成では「データ転送」が必要
  • ディープコピーの問題

1.5　ユーザーの身近にあるGPUのバリエーション　……SoC、CPUチップ内蔵、ディスクリートGPU

• 携帯機器向けのGPU　……スマートフォンやタブレット向けのSoCに搭載
• CPUチップに内蔵されたGPU　……Intel Coreシリーズ、AMD APU
• ディスクリートGPUとグラフィックスワークステーション　……消費電力は200W超え（!?）コストの許す範囲で最高の性能を求めるユーザー達

1.6　GPUとおもな処理方式　……メモリ空間、描画時のGPUメモリ確保方式、並列処理

• 共通メモリ空間か、別メモリ空間か
  • CPUとGPUが同一チップ　……共用の一つのメモリのバンド幅で我慢
  • 高いメモリバンドへの要求
• フルバッファ方式か、タイリング方式か　……描画時のGPUメモリ確保方式
• SIMD方式か、SIMT方式か　……座標やピクセル色で、4要素を一まとめに扱うために

1.7　まとめ

• • Column　……プロセッサと半導体の世代　……24nm世代、16nm世代... 「PxxMxx」表記

第2章　GPUと計算処理の変遷

2.1　グラフィックスとアクセラレータの歴史　……ゲーム機、PCグラフィックス

• グラフィックス処理ハードウェアの歴史　……ゲーム、ハイエンドシュミレータ、科学技術計算
• アーケードゲーム機
• 家庭用ゲーム機
• グラフィックス

2.2　グラフィックスボードの技術　……2Dの背景＋スプライト、BitBLT、2D/2.5D/3Dグラフィックアクセラレータ

• 2Dの背景＋スプライト
• BitBLT
• 2Dグラフィックアクセラレータ
• 3Dグラフィックアクセラレータ

2.3　GPUの科学技術計算への応用　……ユニファイドシェーダ、倍精度浮動小数点演算、プログラミング環境

• ユニファイドシェーダ
• GPUで科学技術計算　……G80アーキテクチャ
• 科学技術計算は32ビットでは精度不足　……GT200のアーキテクチャ、GF100 Fermi GPU
• CUDAプログラミング環境
• エラー検出、訂正
  • Column　……ムーアの法則と並列プロセッサ

2.4　並列処理のパラダイム　……基本、MIMD/SIMD/SIMTの違い

• GPUの座標変換計算を並列化する　……並列計算のための基礎知識
• MIMD型プロセッサ
• SIMD型プロセッサ
• SIMD実行の問題
  • 演算器の数とベクトル長のマッチング
  • メモリアクセスと分岐命令の処理
• SIMT実行
  • SIMT実行では条件分岐が実現できる　……プレディケート機構
  • SIMTプロセッサのロード/ストア命令の実行
  • SIMT実行のプログラミング上のメリット

2.5　まとめ

• • Column　……ARMv7のプレディケート実行機能

第3章　［基礎知識］GPUと計算処理

3.1　3Dグラフィックスの基本　……OpenGLのレンダリングパイプラインを例に

• ［基礎知識］OpenGLのレンダリングパイプライン
  • 頂点シェーダ　……頂点データの入力と出力
  • テッセレーション　……細かく分解して、多数のプリミティブを生成
  • ジオメトリシェーダ　……プリミティブの全頂点データが入力され、面の法線の計算などに使える
  • 頂点ポストプロセスとプリミティブアセンブリ　……ビューボリューム、クリッピング
  • ラスタライズ　……フラグメント（ピクセル）への変換
• フラグメントシェーダ　……フラグメントの色と奥行き方向の位置を計算
  • Zバッファ　……多数のプリミティブの重なりを処理するための機構
  • テクスチャマッピング　……壁紙を立体の表面に貼り付ける
  • ライティング　……光の当たり具合、反射、光源
  • 光の反射を計算するフラグメントシェーディング
• サンプルごとのオペレーション　……レンダリングパイプラインの最後

3.2　グラフィックス処理を行うハードウェアの構造　……Intel HD Graphics Gen 9 GPUの例

• Intel HD Graphics Gen 9 GPUコア　……強力なGPUを搭載したPC用プロセッサ

3.3　［速習］ゲームグラフィックスとGPU　……ハードウェアとソフトウェア、進化の軌跡

• • ○特別寄稿　西川 善司
• ［ハードウェア面の進化］先端3Dゲームグラフィックスはアーケードから　……独自のシステム、独自の3Dグラフィックス
• PlayStationとセガサターンが呼び込んだ3Dゲームグラフィックス・デモクラシー　……PCの3Dグラフィックスの黎明期
• DirectX 7時代　……本当の意味での「GPU」が台頭し始めた
• プログラマブルシェーダ時代の幕開け　……Shader Model（SM）仕様
• ［ソフトウェア面の進化］近代ゲームグラフィックスにおける「三種の神器」　……表現要素で見る近代ゲームグラフィックス
• ［光の表現］法線マッピング　……HDゲームグラフィックス時代だからこそ求められたハイディテール表現
• ［影の表現］最新のGPUでも影生成の自動生成メカニズムは搭載されていない
  • 「丸影」と「シルエット影」　……前世代までの影表現
• ［現在主流の影表現］デプスシャドウ技法　……あらゆる影が出せるようになった
• HDRレンダリング　……現実世界の輝度をできるだけ正確に表現するために
• HDRレンダリングがもたらした3つの効能

3.4　GPUと科学技術計算　……高い演算性能で用途が拡大

• 科学技術計算の対象は非常に範囲が広い
• 科学技術計算と浮動小数点演算　……極めて大きい数や極めて小さい数を同時に扱うために
• 浮動小数点演算の精度の使い分け　……グラフィックス、スマートフォン、科学技術計算
  • 脚光を浴びる16ビット長の半精度浮動小数点演算　……ディープラーニングでの使用

3.5　並列計算処理　……プロセッサのコア数の増加と、計算/プログラムの関係

• GPUのデータ並列とスレッド並列
• 3Dグラフィックスの並列性　……頂点の座標変換、ピクセルのシェーディング
• 科学技術計算の並列計算　……並列化をどのように活かすか
  • 流体計算
  • 重力多体計算

3.6　GPUの関連ハードウェア　……メモリ容量、バンド幅、CPUとの接続、エラーと対策

• デバイスメモリに関する基礎知識
• CPUとGPUの接続
• 電子回路のエラーメカニズムと対策

3.7　まとめ

第4章　［詳説］GPUの超並列処理

4.1　GPUの並列処理方式

• SIMD方式……4つの座標値を一まとまりのデータとして扱う
  • SIMD演算での座標変換
  • 全部のSIMD演算器が使えない場合がある
• SIMT方式……1つ1つ計算する
  • SIMT方式GPUの広がり
  • SIMT方式の実行の問題点
  • SIMT方式での条件分岐の実現

4.2　GPUの構造　……NVIDIA Pascal GPU

• NVIDIA Pascal GPUの基礎知識
• NVIDIA GPUの命令実行のメカニズム　……［ハードウェア観点］プログラムの構造と実行
  • GPUを使うプログラムの構造
• 多数のスレッドの実行
  • グリッドとスレッドブロックの管理　……ギガスレッドエンジン
  • NVIDIAのダイナミックパラレリズム　……カーネルプログラムを直接起動
• SMの実行ユニット
  • FP32に加えてFP64、FP16をサポートする演算器
• GPUのメモリシステム　……演算器に直結した高速な最上位の記憶レジスタファイルから
  • Column　……ディープラーニングの計算と演算精度
  • シェアードメモリ
  • ロード/ストアユニットとリプレイ
  • Column　……RISCとCISC
  • L1データキャッシュ
  • L2キャッシュとデバイスメモリの関係
  • デバイスメモリのテクノロジー
• ワープスケジューラ　……演算レイテンシを隠す
  • メモリアクセスレイテンシを隠すには？
  • NVIDIA GPUは、できるだけ32の倍数のスレッドで実行する
• 条件分岐を実現するプレディケート実行

4.3　AMDとARMのSIMT方式のGPU　……AMD GCNアーキテクチャとARM Bifrost GPU

• AMD GCNアーキテクチャGPU
  • GCNアーキテクチャのCU
• スマートフォン用SoC
  • スマートフォン用SoCは省電力
• ARM Bifrost GPU
  • タイリングで画面を分割して描画を処理

4.4　GPUの使い勝手を改善する最近の技術　……ユニファイドメモリ、SSG、細粒度プリエンプション

• ユニファイドメモリアドレス
• NVIDIA Pascal GPUのユニファイドメモリ
  • ユニファイドメモリがあれば、ディープコピーも簡単
• AMD Polaris GPUのSSG
• 命令の終わりで処理を切り替える細粒度プリエンプション

4.5　エラーの検出と訂正　……科学技術計算用途では必須機能

• 科学技術計算の計算結果とエラー
• エラー検出と訂正の基本の仕組み
• パリティーチェック
• ECC　……ハミングコード
  • SECDEDコード
• 強力なエラー検出能力を持つCRC
  • 再送によるエラー訂正
• デバイスメモリのECCの問題
  • Column　Advanced eXtensible Interface

4.6　まとめ

第5章　GPUプログラミングの基本

5.1　GPUの互換性の考え方　……完全な上位互換は難しい状況

• ハードウェアの互換性、機械語命令レベルの互換性
• NVIDIAの抽象化アセンブラPTX
• GPU言語レベルの互換性　……CUDAやOpenCL

5.2　CUDA　……NVIDIAのGPUプログラミング環境

• CUDAのC言語拡張
  • CUDA実行プログラム（関数）の修飾子
  • NVIDIA CPU＋GPUシステムのメモリ構造
  • メモリ領域の修飾子
• CUDAプログラムで使われる変数　……ベクトル型の変数のサポート
  • CUDAにおけるベクトル型の変数タイプ
  • 自分の処理分担を知る組み込み変数
• デバイスメモリの獲得/解放とホストメモリとのデータ転送
• ［簡単な例］行列積を計算するCUDAプログラム
• CUDAの数学ライブラリ
• NVIDIA GPUのコンピュート能力
• CUDAプログラムの実行制御
  • ストリームを使ってメモリ転送とカーネル実行をオーバーラップする
  • フェンス関数を使ってメモリアクセスを順序付ける
  • CUDAの関数実行を同期させるsyncthreads関数
  • ストリームの実行を同期させるcudaDeviceSynchronize関数
• CUDAのダイナミックパラレリズム
• CUDAのユニファイドメモリ
• 複数GPUシステムの制御

5.3　OpenCL　……業界標準のGPU計算言語

• OpenCLとは
• OpenCLの変数
• OpenCLの実行環境
• カーネルの実行
• OpenCLのメモリ
  • OpenCLのメモリの獲得と転送
  • OpenCLのSVM
• OpenCLのプログラム例
  • OpenCL使用上の注意

5.4　GPUプログラムの最適化　……性能を引き出す

• NVIDIA GPUのグリッドの実行
  • すべての演算器を有効に使う
  • 演算器に待ちぼうけをさせない
  • 条件分岐は気をつけて使おう
• メモリアクセスを効率化する
  • メモリアクセスと演算の比率　……Byte/Flop比
  • ルーフラインモデルを使って性能を見積もる
  • メモリのアクセスパターンに注意する
  • シェアードメモリをうまく使う
  • シェアードメモリをもっとうまく使う
  • ブロッキング
• ダブルバッファを使って通信と計算をオーバーラップする

5.5　OpenMPとOpenACC　……ディレクティブを使うGPUプログラミング

• OpenMPとOpenACCの基礎知識
  • OpenMPの基本的な並列処理方法
• NVIDIAが力を入れるOpenACC
  • OpenACCの並列実行モデル
  • OpenACCの並列化指示
  • OpenACCを使う場合の注意点　……データ依存の解決が必要
  • OpenACCを使う場合の注意点　……ディープコピー
  • OpenACCで合計を求める
  • OpenACCのデータ転送指示
  • データの領域の有効期間をコントロールする
• OpenMPを使う並列化
  • OpenMP4の簡単な例
  • OpenMP4のデバイスの起動と並列実行
  • OpenMP4のデータ領域指定
  • OpenMP4の処理分散
• OpenACCとOpenMP4
  • Column　……GoogleのTPU

5.6　まとめ

第6章　GPUの周辺技術

6.1　GPUのデバイスメモリ　……大量データを高速に供給

• DRAM
  • GDDR5　グラフィックスDRAM
  • HBM
  • GDDR5XとGDDR6

6.2　CPUとGPU間のデータ伝送　……PCI Express関連技術、NVLink、CAPI

• PCI Express
  • PCI ExpressのPeer to Peer転送
  • NVIDIAのGPU Direct
  • PCI Expressスイッチ
• NVIDIAのNVLink
• IBMのCAPI
• AMDのSSD搭載GPU　……ビッグデータ処理に威力発揮の可能性

6.3　まとめ

第7章　GPU活用の最前線

7.1　ディープラーニングにGPUを活用する　……ニューラルネットの基本から活用事例まで

• ディープラーニングで使われるニューラルネットワーク
  • 基本構成単位のニューロン
  • ニューラルネットワーク
  • ILSVRC 2012で優勝したAlexNet
  • ディープラーニングの推論動作
  • ディープラーニングの学習動作
  • 画像認識CNNはどう作るのか
• ディープラーニングとGPU
• カスタムASICやFPGAによるディープラーニング　……強力なライバルの存在
• ディープラーニングでのGPUの活用事例
  • 視覚障害者を補助するHorusのウェアラブルデバイス
  • 画像認識は多くの分野で利用が始まっている
  • NVIDIAは自動運転に向けたSoCに注力

7.2　3Dグラフィックスの活用　……3Dで広がる事例

• • 自動車の開発や販売への活用
  • 建設や建築での活用
  • Nikeのスポーツシューズの開発
  • VR、ARの産業利用
• NVIDIAのGRID

7.3　GPUを活用するスーパーコンピュータ　……高い演算性能を求めて

• 世界の上位15位までのスーパーコンピュータの状況
• 筑波大学のHA-PACS/TCAスーパーコンピュータ
• スーパーコンピュータを何に使うのか

7.4　まとめ

第8章　プロセッサとGPUの技術動向

8.1　CPUはどうなっていくのか　……スマートフォンSoC向け、データセンター向けCPU

• スマートフォンSoC向けCPU
• データセンター向けCPU
• 高性能CPUの技術動向
  • Intelの変換命令キャッシュ
  • 機械学習を使う分岐予測
  • 演算性能を引き上げるSIMD命令

8.2　GPUはどうなっていくのか　……GPUの種別と今後

• GPUの種類
• スマートフォンGPUはどうなっていくのか
• ハイエンドGPUはどうなっていくのか
  • CPU - GPU分離メモリの問題の解決
  • AMDを中心とするHSA
  • 新世代のメモリインターコネクト　……CCIX、Gen-Z、OpenCAPI
• Knights Landing　……CPUとアクセラレータを一体化
• PEZY-SC　……日本発メニーコアCPU

8.3　消費電力の低減　……アーキテクチャおよび回路技術からのアプローチ

• アーキテクチャによる省電力設計　……カスタムロジック、ビデオ、ディープラーニング
• 回路技術による省電力化

8.4　ディープラーニングのサポート　……AIへの挑戦

• ディープラーニングの処理エンジン　……16ビットの半精度浮動小数点演算や8ビットの固定小数点演算の機能
  • Column　……AI（人工知能）の歴史
• Microsoftのチャットボット達　……Tay、Xiaoice、Zo

8.5　まとめ