【ビデオカードの基礎知識：GPUと最新機能編】どんな機能？製品ごとの違いは何？グレードと性能の関係は？
特集、その他
PC自作を始めたい、もう一度学びたいなら必見！超品薄の今こそ知っておこう text by マルオマサト
2021年7月15日 00:00
さまざまなPCパーツを自由に組み合わせて、自分だけの1台を作る“自作PC”。PCパーツは種類が多く、価格差も大きいため、何を基準に選べばよいのか分からない方も多いだろう。また、パーツの進化は速いので、経験者であっても、しばらく自作から遠ざかっていると、製品選びのポイントを見失ってしまうこともしばしば。そこで本シリーズでは、PCパーツの役目や構造といった基礎知識をやさしく解説するとともに、最新パーツの動向や選び方などをガイドする。これからPC自作にチャレンジしようという人はもちろん、PC自作の経験がある人も改めて知識の整理に役立てていただきたい。
シリーズ第1回の今回は、昨今超品薄や高騰が続くビデオカードを前後編で解説。このような状況の今こそ正しい知識を身に着けて、ムダのない買い物をしたり、やがて訪れるであろう“ちゃんと買える日”に備えたりしてほしい。
「ビデオカード」って何をするパーツ？・ゲームなどのグラフィックス処理・動画、写真編集やエンコード、デコードの高速化・AI処理・科学技術計算・仮想通貨マイニング
ゲームの性能にもっとも影響するパーツ
ビデオカードの基本的な機能は、画面の描画処理とモニタ（ディスプレイ）への画面出力だ。われわれが画面で見ている映像は、ビデオカードの“頭脳”であるGPU（Graphics Processing Unit）というチップで処理され、映像出力端子から出力されているものだ。
ビデオカードの基本構造。グレードによってデザインやファンの数、サイズは異なってくるが、基本は大きくは変わらない。写真はMSI「GeForce RTX 3080 Ti SUPRIM X 12G」（1）出力端子：画面をモニタに出力するための端子。DisplayPortとHDMIが主流。それぞれ規格によって出力できる解像度やリフレッシュレートなどが変わってくるが、GPUによって装備する端子の種類はほぼ決まっている（2）基板：この方向からはほとんど見えないが、クーラーに覆われた内側にはGPUをはじめさまざまな部品が実装された基板がある。高性能なビデオカードほど、基板も大型化する傾向にある（3）クーラー：ビデオカードの中心であるGPU、それを動かすための電源回路やビデオメモリは、かなり熱を発する部品だ。そのため、ビデオカードには冷却機構が必ず付いている。冷却性能はパフォーマンスの優劣にも影響する（4）補助電源：拡張カードの電源はPCI Expressスロットからも供給されているが、最近のビデオカードにはこれでは電力が足りないために補助電源も併用する。6ピンと8ピンのコネクタがあり、複数搭載するものも多いモニタに画面を表示するにはビデオカードの映像出力とモニタを接続するPCの“頭脳”であるCPU（Central Processing Unit）にGPUは内蔵されているので、ビデオカードがなくても映像を出力することはできる。ただ、性能面ではグラフィックス処理専用のパーツであるビデオカードには遠くおよばない。
CPU内蔵GPUとエントリーグレードのビデオカードの性能の比較。CPU内蔵GPUとしては強力なものを搭載しているRyzen 5 PRO 4650Gと比べてもその性能差は圧倒的。内蔵GPUではフルHDでも画質設定を少し上げるとマトモにプレイできなくなるゲームはよくあるが、GTX 1650なら快適に遊べる、という例も多いビデオカードの性能がダイレクトに反映されるのが、リアルタイムで3Dグラフィックスを動かすことになる「ゲーム」だ。よりリアルな表現ができるよう技術も進化し続けており、プレイできるゲームの種類や映像表現、なめらかな動きはビデオカードとGPUの性能によって決まる。
GPUの性能の差が顕著に表れるものの筆頭がゲームの“フレームレート”。1秒間に画面を書き換える回数（単位はfps）のことで、数値が高いほど高性能。GPUの性能、ゲームや解像度、画質設定で大きく変動し、ゲームタイトルごとの差も激しい。一般的な液晶ディスプレイは1秒間に約60回画面をリフレッシュしているので、フレームレートも60fpsをキープできるのが望ましい。3種類のビデオカードで同じゲームのフレームレートを計測してみたが、カードによってこんなに差が出ている同じプロセッサでも、GPUはCPUとは構造が大きく違い、CPUは汎用性が高く、GPUは特定用途（＝画像処理に関する計算）に強い、という特徴がある。たとえば、GPUが得意なタイプの計算の場合、GPUはCPUの何倍、何十倍という単位で高速な処理も可能だ。近年ではその計算能力を、画像処理以外の用途でも幅広く活用するための「GPGPU（General Purpose GPU）」が推進され、開発環境が整備されてきた。その結果、従来の画面描画の高速化だけでなく、動画処理（デコード／エンコード）、科学技術計算、AI（機械学習）などでの利用が定着。ゲームだけでなく、写真や動画の加工編集といったクリエイティブアプリや、GPU処理による映像加工や音声ノイズ除去などがテレワーク／リモート学習にも活用されるようになり、一般ユーザーも利用が広がってきている。
暗号資産（仮想通貨）のマイニングでもこの性能が活用されるようになったことも重なって直近では需要が急増。価格高騰と深刻な品不足につながっている。NVIDIAは一部のGPUのマイニング性能を制限するとともにマイニング専用GPUの提供を開始。PCゲーマーがビデオカードを買いやすくなるような施策を開始している。
話題の最新ビデオカードというといずれも大型のものが多いが、ミドルレンジ～エントリークラスのGPUを搭載した製品にはファンが二つでサイズもそこそこ小さくまとまっているものも多い。写真はMSI「GeForce GTX 1660 SUPER VENTUS XS OC」MSIのGeForce GT 1030 2GD4 LP OC（実売価格12,000円前後）GeForce GTX 1650 D6 AERO ITX J OC（実売価格35,000円前後）GeForce RTX 3060 VENTUS 2X 12G OC（実売価格80,000円前後）GeForce RTX 3080 Ti SUPRIM X 12G（実売価格250,000円前後）ビデオカードと言っても、1万円を切るエントリークラスから30万円を超えるウルトラハイエンドクラスまでさまざまなモデルが存在する。カードサイズや搭載するクーラーの重厚感からして大きく異なり、性能の違いも非常に大きいビデオカードの実力の最重要要素「GPU」
では、GPUについてもう少し詳しく見ていこう。
現在のビデオカードのほとんどの機能は、GPUに統合されており、ビデオカードの性能、機能は搭載しているGPUでだいたい決まる。そして、PC用のGPUは現在、最大手のNVIDIAとAMDの2社の寡占状態にあり、両者のラインナップを理解することがビデオカード選びの第一歩だ。下の図に示したのは、ゲーム性能を計測するベンチマークテストのスコアをベースにした格付けだ。あくまでツールを使ったテストにもとづくものだが、GPUの性能の目安として十分だろう。
ベンチマークテスト「3DMark」のテストプログラムの一つ「Fire Strike」のスコアをベースに主要GPUの序列を整理したのがこの図。フルHD解像度ならGeForce GTX 1650で大抵のゲームは及第点の画質でプレイが可能。GTX 1660以上なら快適だろう。画質設定にもよるが、WQHDならRTX 3060、4KならRTX 3070が最低ラインといったところだ。なお、この序列はあくまでも特定のテストの結果を図版化したもの。実際のゲームでの性能比較は、世代間の差や同世代内での序列はおおむねこの図のとおりになるが、GeForceとRadeonの差はタイトルによっても異なる場合がある現在のGPUで最有力なのは「NVIDIA GeForce」。高い処理性能と先進的な映像表現に対応する“RTX”と、コストを抑えたスタンダードな性能の“GTX”の2ラインが存在。リアルタイムレイトレーシングやDLSS（後述）に対応し、クリエイティブ分野でも高速レンダリング、AIベースの高画質化／特殊加工などの機能で有利なRTXがとくに注目だ。
対抗馬は「AMD Radeon RX 6000」。この世代では、総合力をぐっと高めたうえに、GeForceの専売特許だった次世代の映像表現技術も取り込んできた。現在は長らくトップを走ってきたGeForceが、ゲームだけでなくAI分野でも先行してきた分有利な状況。とはいえ、用途やゲーム／アプリ次第ではRadeonもGeForceに十分に渡りあうことができる性能や機能を整備してきており、コストパフォーマンスが優位になる場合もある。
ビデオカードの“頭脳”であるGPU。CPUと同様に高度な演算装置だ。左は市場をけん引するトップメーカー、NVIDIAのGeForce RTX。右はここ最近追い上げを見せるAMDのRadeon RXビデオカードのグレードが上がると何が変わる？
ビデオカードの価格は数千円から30万円を超えるものまで非常に幅が広い。そのグレードの違いは、ゲームのどのような場面に現れてくるのだろうか。
より高い解像度でプレイできる
最新のGPUはゲームをフルHD（1,920×1,080ドット）でプレイできるのは当たり前。アッパーミドルクラスならWQHD（2,560×1,440ドット）、ハイエンドならば4K（3,840×2,160ドット）でも快適なプレイが可能だ。高解像度のモニタは画素ピッチが小さく表示面のドットがほとんど見えないため、なめらかで美しい映像を堪能できる。
より高画質でプレイできる
3Dグラフィックスのテクスチャの高精細さ、人物の肌の質感、髪の毛、光や影の表現など、ゲームの画質をより高めることが可能になる。よりリアルで美しい鮮やかで色彩豊かな表現を可能にするHDR（High Dynamic Range）に対応したゲームも増えている。
最新ゲームのグラフィックスの美しさは見る者を圧倒するほど。高性能ビデオカードを使い、ゲームの解像度や画像品質を上げることで桁違いの臨場感、没入感を体験できるウォッチドッグス レギオン：（C）2020 Ubisoft Entertainment. All Rights Reserved.コマ落ちのないゲームプレイが可能になる
フレームレートは1秒間に何フレーム表示できるかを示す値（単位はfps）で、これが高いほど画面の動きがなめらかに感じられる。ビデオカードの性能が高いほど、高いフレームレートを実現できる（実際のフレームレートはゲームごとの処理や画質設定により大きく異なってくる）。一般的には安定して60fpsで動いていればゲームのプレイは快適とされる。
より高いフレームレートでプレイできる
動きが早く激しいアクションシューティングゲームや格闘ゲームなど、競技性が強いいわゆるeスポーツ系のタイトルでは一瞬の反応が勝負をわける。プレイヤーの動きにいち早く画面を追従させる、敵の動きを素早く察知するという意味で、eスポーツのプレイヤーはこのフレームレートを高めることを強く意識してPCを選んでおり、とくにビデオカードにこだわっている。一番落ちこんだときの最低フレームレートをいかに高められるかが重要だ。
PCが高いフレームレートを出すことができても、実際の画面書き換え速度は、ディスプレイの書き換え速度（リフレッシュレート）に制限される。一般的な液晶ディスプレイやテレビは60Hz（秒間60コマ）だが、最近よく見かけるゲーミング液晶では、144Hzや240Hzの高速書き換えに対応。高性能PCと組み合わせると非常に滑らかなで繊細なプレイ環境を実現できる。写真はMSIの240Hz対応ゲーミング液晶「Optix MAG251RX」高いリフレッシュレートで画面を書き換えるには、ゲーム側が高いフレームレートを出す必要がある。144Hz液晶なら144fps以上、240Hz液晶なら240fpsが目標。ゲーミング液晶が活きる「Apex Legends」だとRTX 3060以上なら144fpsを悠々クリアできる次世代映像表現リアルタイムレイトレーシングへの対応
レイトレーシングは、光源からの光がどのように屈折・反射するのかを緻密にシュミレートすることで、リアルな映像を作り出す技術。膨大な計算が必要になるためリアルタイムで動く3Dゲームで用いることはかつては困難だったが、GPUの進化がそれを可能にした。金属やガラスに映り込む人物がカメラワークに合わせてゆっくりと動くなど、美しくリアルなグラフィックスが楽しめる。ゲームにおける次代の映像表現として注目されている。旧型のビデオカードではそもそもこの機能を利用できないが、現行世代のビデオカードでも下位グレードは対応していない。
リアルタイムレイトレーシングは、DXR（DirectX Raytracing）対応タイトルで利用できる。森に差し込む日光や木々の影、地面の水たまりの反射などがリアルに再現されるCall of Duty：Modern Warfare：（C）2019-2020 Activision Publishing, Inc.レイトレを使った表現が分かりやすい「Deliver us the Moon」。レイトレOFF（画面左）だと単なる明暗のある通路の様子に見えるが、ON（画面右）だと通路を仕切るガラスに自キャラが映りこみ、光の明暗の付き方も複雑になるDeliver us the Moon：（C）2019 KeokeN Interactive.パフォーマンスや操作感をよりよくする技術を利用できる
NVIDIAのRTXシリーズで利用できるDLSS（Deep Learning Super-Sampling）は、機械学習を活用した超解像技術。RTXシリーズの専用回路をフル活用し、実際よりも少さいデータをAI／ディープラーニング技術で補完してレンダリングすることでフレームレートを向上してくれる。このほかにも、モニタのリフレッシュレートとゲームのフレームレートを同期させることで表示のズレ（テアリング）やカクつき（スタッタリング）を防ぐ、FreeSyncやG-SYNCといった技術も普及してきている。
遠景の描画を違和感がないレベルで省力化することで描画処理全体の負荷を下げる（＝フレームレートが上がる）のがDLSS。とくに、WQHDや4Kといった負荷の高い超高解像度プレイ時に真価を発揮するモンスターハンターワールド：アイスボーン：（C）CAPCOM CO., LTD. ALL RIGHTS RESERVED.覚えておきたい「ビデオカード」関連用語
GPU（Graphics Processing Unit）グラフィックス処理を専門に行なうチップの名称。グラフィックスプロセッサ、グラフィックスコプロセッサ、グラフィックスコントローラ、グラフィックスアクセラレータなど、いろいろな名前で呼ばれている。かつてグラフィックスチップの高性能化に伴いNVIDIAは自社のチップをGPUと、ATI（現AMD）はVPU（Visual Processing Unit）と呼ぶようになったが、時が経つとNVIDIAのマーケティングが功を奏したのか、響きがよかったのか、2021年現在はNVIDIA以外のグラフィックスプロセッサも含めGPUという呼称が広く浸透している。CPU（Central Processing Unit）中央演算処理装置。コンピュータにおいて頭脳となる部分。メモリとの間で数値の演算処理を行なう。ビデオメモリビデオカード上に実装される記憶装置。VRAMとも呼ばれる。GPUが描画処理するための情報を一時的に保存しておくためのメモリで、一般的にGDDR SDRAMのような専用の高速メモリが採用される。このビデオメモリの転送速度と容量がビデオカードの3Dグラフィックス性能に大きな影響を与える。現在主流の規格として、GDDR6（転送速度0.7TB/s）と、その発展版であるGDDR6X（同1.0TB/s）、エントリー～ローエンドモデル向けの旧世代規格GDDR5（同0.4TB/s）がある。また、従来のGDDRとは別のアプローチで高速化を目指すHBM（最新規格では同1TB/s以上）が存在する（転送速度はチップ数や容量、GPUとの組み合わせによって決定するので値はあくまで参考）。オーバークロック（Over Clock、OC）CPUやGPU、メモリなどを定格を超える高いクロックで動作させること。PCI Express（Peripheral Component Interconnect Express）PCI SIGで規定された、高速シリアルバス規格、および拡張スロットの仕様。基本となる単位「レーン」を並列して搭載することで高速化が図れるのが特徴で、レーン数は「x1」や「x16」のように表現される。信号速度は当初2.5GT/sだったが、PCI Express 2.0で5GT/s、PCI Express 3.0で8GT/s、PCI Express 4.0で16GT/sと高速化されている。フルHDPC用語として用いる場合、ディスプレイおよびPCが表示する画面の解像度の一つで、1,920×1,080ドットのことを指し、現在のPCの表示解像度の基本と言える解像度。アスペクト比（画面の縦横比）は16：9。なお、総画素数はHD（1,280×720ドット）の2.25倍、SD（720×480ドット）の6倍、かつてのPCで一般的だったXGA（1,024×768ドット）の約2.64倍、VGA（640×480ドット）の6.75倍。4K（3,840×2,160ドット）はフルHDの4倍。WQHD（Wide Quad High Definition）2,560×1,440ドットの解像度のこと。いわゆる720p（1,280×720ドット）の4倍の面積を意味する。4K（4,000×2,000pixel）映像パネルや映像情報の解像度の通称で、3,840×2,160ドット、または4,096×2,160ドットのような約4,000×2,000ドット（800万画素）の解像度を指す。かつては4K2K（ヨンケーニケー）と呼ばれていた。3,840×2,160はフルHDと呼ばれる1,920×1,080の4倍のドット数に相当することからQFHD（Quad Full HD）と呼ばれることもある。フレームレート映像のフレーム（画面）を更新する速度。1秒あたりのフレーム数をfps（frames per second）という単位で表わす。フレームレートが高いほど動きはなめらかに見える。テレビやビデオのフレームレートは30fps（日米、欧州などでは25fps）、映画は24fps。現在のPCでは60fpsが標準で、とくにPCゲームにおいては60fps表示がなめらかに感じる基準とされている。最近では、高いリフレッシュレートのディスプレイに高いフレームレートで映像を表示すると、シューティングゲームなどで敵に照準を合わせる際に高い精度で狙いを定めることができるため（敵の動き、照準の動きを細かく把握できる）、コアゲーマーには144Hzや240Hz（あるいはそれ以上）といった高リフレッシュレート液晶と高フレームレートが出るPCを求める傾向にある。レイトレーシング3Dグラフィックスを描画する際の手法の一つで、光線の伝わり方を物理法則にのっとってシミュレーションする表現方法。素材により異なる光の屈折・反射、水面や鏡面、金属素材などへの映り込みなどの再現を写真のようにリアルに再現することが可能になるが、演算処理は膨大になる。古くは大規模なシステムが必要とされるものだったが、CPU/GPUの高性能化によりクライアント環境での処理が可能になり、2018年に登場したNVIDIA GeForce RTX 20シリーズには、リアルタイムにレイトレーシングをハードウェア処理する機能が搭載された。DirectXにはレイトレーシングのためのAPI「DirectX Raytracing」が導入されており、リアルタイム・レイトレーシングに対応したPCゲームが登場している。FreeSyncディスプレイ表示技術の一つで、可変リフレッシュレート環境下で遅延や表示の乱れを抑える技術。GPUの映像出力とディスプレイのリフレッシュレートを同期させ、画面表示の部分的なずれ（テアリング）、もたつき（スタッタリング）を抑える、というもの。利用するには、FreeSyncに対応したディスプレイが必要。同様の技術には、NVIDIAの「G-SYNC」、本技術のベースとなっているVESAの標準規格「Adaptive-Sync」がある。G-SYNCディスプレイ表示技術の一つで、GPUの映像出力とディスプレイのリフレッシュレートを同期させるというもの。これにより、画面表示の部分的なずれ（テアリング）、もたつき（スタッタリング）が抑制できる。G-SYNCを利用するにはG-SYNC対応GeForce搭載ビデオカード、専用基板を搭載したG-SYNC対応ディスプレイ（およびDisplayPort接続）が必須だったため、とくにディスプレイが高価であるという欠点があった。しかし、2019年1月以降のGeForceのドライバでは、FreeSyncおよびAdaptive-Syncに対応した一部のディスプレイでもG-SYNCが利用できる「G-SYNC Compatible」という機能が追加され、価格的なハードルが下げられている。スタッタリングV-SYNC（垂直同期）の信号がONになっている場合に、GPUから出力される映像のフレームレートが低下することで起きる映像のカクつきやもたつきのこと。設定でV-SYNCをOFFにすれば解消するが、今度はテアリングが発生しやすくなる。これらへの対策としてNVIDIAの「G-SYNC」、AMDの「FreeSync」といった可変リフレッシュレート技術が存在する。また、同様の規格に「VESA Adaptive-Sync」がある。テアリングGPUから出力される映像のフレームレートと、それを表示するディスプレイのリフレッシュレートに食い違いがあると発生する表示崩れの現象のこと。設定でV-SYNC（垂直同期）をONにすることで解消することができるが、今度はスタッタリング（スタッタリングの項目を参照）が発生する。これらへの対策としてNVIDIAの「G-SYNC」、AMDの「FreeSync」といった可変リフレッシュレート技術が存在する。また、同様の規格に「VESA Adaptive-Sync」がある。後編予告
後編では、「同じGPUを搭載するビデオカードがなぜたくさんラインナップされているのか」という疑問を解消し、ビデオカードの格付けを最終的に決定するポイントを説明する。
![[Excel] 写真や図などの画像を貼り付ける方法](https://website-google-hk.oss-cn-hongkong.aliyuncs.com/drawing/article_results_9/2022/3/9/72539ecbf7413c05e4465b39ca06e8e0_0.jpeg "[Excel] 写真や図などの画像を貼り付ける方法")
