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第2回 ハードウェアの基礎知識

第2回 「ハードウェアの基礎知識」 

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 第2回は、PCのハードウェアについて話します。
 GPUコンピューティングを始める上で、主要部品の役割を知っておくことは大変重要です。
 
 自分で各部品を拡張・交換する場合の注意事項についても少し述べていきますが、自作指南コーナーではないので細かい部品や配置・組み立て方については割愛し、GPUコンピューティングに重要と思われる部分だけピックアップしていきます。
 
※それぞれの写真でリンクがあるものは、クリックすると拡大イメージが表示されます。
 
2.1 概観
 それでは早速。下の写真が今回調べる筐体です。
 G-DEPで販売しているGPUワークステーション「MASAMUNE」シリーズの1台をお借りしました。(リンクを押すと製品ページへ飛びます。)

(PC外観)

(蓋を取り外したPC内部)

様々な基盤や配線がありますね。中央左にあるのがマザーボードとGPU、下に見える箱のようなものが電源、また、右の段々になっているところにHDDやDVDドライブなどが接続されています。それでは各主要部品を見ていきましょう。

 

2.2 マザーボード

CPUやGPU、メモリなどの装置が繋がる、まさにPCの本体とも言える中枢部分。また、ケーブルを通じてHDDやSDD、DVDドライブなども制御します。

(筐体内アップ)

(取り外したマザーボード)

(マザーボード単体アップ)

この図で上中央の部分にCPU、上右にメモリが取り付けられます。また、その下にある部分はPCI Express(×16)スロットと呼ばれ、グラフィックボードやオーディオカードなどの拡張部品が取り付けられます。

(マザーボードの端子部分)

またディスプレイケーブルやUSB、オーディオなど各端子もここに繋ぎます。

 

2.3 CPU(Central Processing Unit  

左が表面、右が裏面

PCの中枢に位置する、計算を司るいわば頭脳と言える部分で、この性能の良し悪しが全体の性能に関わってくると言っても過言ではありません。上の写真のようにCPUはタイルのような形状をしており、ここにヒートシンクなどを当てて排熱をします。

裏面のツブツブの部分をマザーボードのソケット(凹凸が反対のものもある)に合わせてはめ込みます。

注意!マザーボードのソケットはCPUの突起と形状が一緒である必要があり、CPUを新しく交換する際にはマザーボードがそのCPUに対応しているかどうか確認する必要があります。

 

2.4 メインメモリ(RAM

  

Memory=記憶の名の通り、情報を記憶する半導体記憶装置です。マザーボードのメモリスロットが複数あればその分メモリを付けることができ、容量を増やすことができます。メモリの規格に対しマザーボードやCPUが対応している必要があります。

注意!

  • 複数枚のメモリを挿す場合は、基本的に規格が同じものを使います。
  • OSが32bitの場合はメモリの容量が最大3GB強しか認識できないため、4GB以上のメモリ容量にする場合はOSが64bitである必要があります。
  • メインメモリの容量はGPU上のメモリ(VRAM)より大きいことが望ましいです。(例:Tesla C2070の専用メモリは6GBのため、メインメモリは6GB以上欲しい)特に、ソースコードがオープンになっていないソフトウェアをGPUマシンで利用する際には、そのソフトウェアがどの程度のメインメモリを必要とするのかをソフトウェアベンダーから確認しておくべきでしょう。

 

2.5 電源(Power

コンセントからPC各パーツに電流を供給する、いわばPCの心臓部分。近年のパーツの性能向上に伴い消費電力が増えてきたため、電源にも大きな出力が求められてきています。また出力だけでなく、安定性や耐久性、変換効率なども品質に影響してきます。変換効率に関しては省エネの観点から「80PLUS認証」と呼ばれるものが行われるようになり、電源変換効率が80%以上であるものと認められたものに対し、その性能によってスタンダード、ブロンズ、シルバー、ゴールドとランク付けられます。

(80PLUS認証ロゴ)

注意!GPUは消費電力が高いため、複数枚差す場合は特に電源の容量に気を付けてください。GPU4枚挿しともなると1500Wも必要な場合があります。1枚であっても600W以上が望ましいのではないでしょうか。

電源から各パーツに電源を供給するケーブルの端子もいくつか種類があり、マザーボードに接続するATXメインコネクタ、PCI Express機器に繋ぐ8pin6pinコネクタなどがあります。

(8pinコネクタ)

 

2.6 GPU(Graphic Processing Unit

(Tesla C2070)

 最後に、GPUコンピューティングに欠かせないのがコレ。ものによっては複数枚差して使うことができます。GPUチップとVRAM(ビデオメモリ)が中に搭載されており、それにファンを取り付けて排熱できるようになっています。VRAMとはGPU専用のメモリで、描画のためのデータはもちろん、GPUコンピューティングを利用する際のプログラムなどを貯めこんでおくことができます。NVIDIA製GPUのシリーズ別については第1回「GPUコンピューティングおよびCUDAについて」についてをご参照ください。

注意!最近のグラフィックボード大きくなってきているため、場合によってはPCケース内に収まらない場合があります。自作する場合や追加する際にはお気を付けください。

  

 一昔前までのGPUはバス電源(最大75W)と呼ばれるマザーボードからの電力のみで動きましたが、最近のハイエンドなGPUは消費電力が高いため、8pin(最大150W)6pin(最大75W)と呼ばれるケーブル端子を差して電源部から直接電力を受ける必要があります。Teslaも同様の仕様となっていますので組込側のPCに以下の様な電源コネクタがあるか確認しましょう。

※ 上図はFermi世代Tesla(C2075等)の場合です。最新のKepler世代Tesla(K20, K20X)では2つの6ピン電源ケーブルから電源供給を行います。

 

○GPUを追加する場合の注意点まとめ

  • GPUはPCI Express スロットに差す。
  • 筐体内のグラフィックボード設置スペースがあるかどうか。
  • メインメモリの容量とOSのbit数。
  • 電源容量をGPUに合わせて余裕を持って選ぶ。
  • GPUは発熱が高いため、冷却能力(ファンやエアフロー)は十分に。
  • 電源からGPUに直接電源を繋げること。コネクタの形状にも注意。
 以上の点は十分に注意する必要があります。ケースに入らないのはそれ以前の話になってしまいますが、特に電源や冷却に関しては性能が足りないと動作が不安定になってしまいます。
 PCの自作やカスタマイズに十分な自信がある方以外は、既存のPCにGPUを増設するのではなく、最初からGPUコンピューティング向けに設計されたPCを用意した方がトラブルが少ないと思われます。
 
今回紹介したMASAMUNEシリーズのPCのように、G-DEPではGPUコンピューティングに適したPCを販売しています。
良ければこちらのページもご参照ください↓

 

いかがでしたでしょうか?簡単ではありますが、PCのハードウェアに関する基礎的なお話でした。もっと詳しく知りたい方は、下の参考ページ(外部サイト)もご参照ください。

それでは次回は、実際にCUDAをインストールしていきます。

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【参考ページ】(新しいウィンドウで開きます)

PCハードウェア 初心者の館…各パーツについて分かりやすく詳細に説明されています

ATX電源頂上決戦 夏の陣 「電源の仕組を分かりやすく解説」(DOS/V Power Report)…電源について詳しく説明されています

(執筆 G-DEP Associate Research Engineer 東京大学大学院工学系研究科 岡安優)