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CUDA関数とGPUコア GPU/CPU/メモリの動き


大量のデータを高速処理

科学計算や機械学習用の並列計算コプロセッサ

図1　科学計算や機械学習などの高度な並列計算が可能にするCUD言語によるプログラムの基本的な流れとGPUとCPUの役割分担について解説．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］善養寺 薫（Kaoru Zenyouji）．
詳細：［VOD/KIT/data］Jetson Nanoキットで学ぶ NVIDIA CUDAプログラミング入門

CUDAによる並列計算の基本的な処理フロー

CUDA（Compute Unified Device Architecture）は，NVIDIAによって開発されたGPUプログラミング・フレームワークで，GPUコアを利用して大量のデータを効率的に処理できます．

CUDA言語を用いることで，科学計算や機械学習などの高度な並列計算が可能になります．ここでは，CUDAによるプログラムの基本的な流れと，GPUとCPUの役割分担について解説します．

1．メモリの準備とデータ転送

CUDAプログラムの基本的なフローは，まずCPU側のメインメモリからGPUのメモリにデータをコピーすることから始まります．これは，GPUが計算に使用するデータを用意するプロセスで，関数`cudaMalloc`を用いてGPUメモリを確保し，`cudaMemcpy`でデータを転送します．

$N$個のデータを処理する場合，CPU側でメモリ確保とデータ準備を行い，GPUに送信します．このようにして，GPUが効率的にデータを操作できる環境が整います．

2．カーネル関数の実行

次に，CPUからGPUに「カーネル」と呼ばれる計算命令を送信し，実行を開始します．カーネルとは，特定の計算内容を指示するプログラムのことで，CUDAではC言語に似た構文で記述します．

カーネル関数の設定は，計算に使用するスレッド数やブロック数といったGPUリソースの割り当てに影響を与えるため，CUDAプログラミングにおいて重要なポイントになります．カーネルを起動すると，GPU内の各コアが並列で処理を行い，大量のデータが同時に計算されます．たとえば，数値シミュレーションや画像処理においては，複数のピクセルや数値が同時に計算されるため，実行速度が飛躍的に向上します．

3．計算結果の取得とメモリ解放

計算が終了すると，GPUメモリ内に格納された結果をCPU側のメモリにコピーします．この操作には再度`cudaMemcpy`が使用され，最終的にデータが取得されます．その後，使用したGPUメモリ領域を解放するために`cudaFree`を呼び出します．

これにより，GPUメモリのリソースが再度ほかの計算で利用可能になります．CUDAでは，メモリ管理が非常に重要で，メモリの確保と解放が適切に行われないとメモリリークが発生し，計算性能に悪影響を及ぼす可能性があります．

CUDAのメリットと科学計算での応用

CUDAの最大の特徴は，GPUの並列計算能力を活用できる点にあります．これにより，大量のデータを効率的に処理し，科学計算や機械学習の分野で大きな効果を発揮します．

物理シミュレーションや深層学習のトレーニングでは，膨大な行列演算が求められますが，CPUだけで処理する場合と比較して，数十倍以上の高速化が可能です．CUDAプログラミングは，Jetsonなどの小型コンピューティングデバイスでも実行できるため，エッジ・デバイスでのリアルタイム処理や組み込みシステムでのAI推論にも利用されています．

GPUとCPUの協調作業

CUDAプログラミングでは，CPUとGPUの協調が求められます．CPUは主にデータの準備や制御を担当し，実際の計算はGPUが行います．CPUがコマンドを送り，GPUが並列処理を実行することで，高速な処理が可能になります．〈著：ZEPマガジン〉

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動画講師 略歴

  • 2010年　沼津工業高等専門学校　専攻科　卒業
  • 2010年　FA機器/ハード・ディスク製造装置設計業務に従事．その後ベンチャーにて半導体検査/医科学用電子顕微鏡，半導体製造装置，理化学機器の研究開発設計に従事
  • 2020年　静岡県創業者育成施設審査通過し，個人事業として独立
  • 2022年　株式会社ディスクリテック設立，現在に至る

動画講師 著書

  1. ［VOD/KIT/data］実験キットで学ぶ 電源・アナログ回路入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD］動画で一緒にプリント基板開発 KiCad超入門【KiCad 6対応 完全マニュアル】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD］動画で一緒にプリント基板開発 KiCad超入門【KiCad 6対応 プロの仕上げ技101】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD/KIT］すぐ動く！BM83 Bluetoothスタータキット，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD/Pi KIT］MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ［VOD/KIT］MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門
  7. 一人で始めるプリント基板作り，トランジスタ技術Special No.127， CQ出版社
  8. 商用利用OK！噂の完全フリー基板作成ツール KiCad，トランジスタ技術2015年3月号，CQ出版社．
  9. 1枚100円も！世界のプリント基板ネット通販メーカ，トランジスタ技術2016年7月号，CQ出版社．
  10. 部品の足にジャストフィット!フットプリント作成，トランジスタ技術2017年5月号，CQ出版社．
  11. コネクタなどの特殊部品のフットプリントを高速自作!CQ FootprintTracer，トランジスタ技術2017年10月号，CQ出版社．
  12. はじめてみませんか？プリント基板ネット通販生活，トランジスタ技術2018年2月号，CQ出版社．
  13. 工作実験室で活躍中！高コスパ電子工作ツール一覧，トランジスタ技術2018年12月号，CQ出版社．
  14. 成功間違いなし!　BGA配線 10の基本ルール，トランジスタ技術2020年5月号，CQ出版社．

参考文献

  1. ［VOD/Pi3A KIT］ラズパイ・キットで学ぶLinux I/Oボードの作り方・探し方・動かし方，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD/Pi KIT］ラズベリー・パイで学ぶLinux＆Pythonプログラミング超入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD/PiZero KIT］Python×ラズパイで初めての量子コンピュータ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD/Pi400 KIT］SLAMロボット＆ラズパイ付き！ROSプログラミング超入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD/Pi KIT］ラズパイ×Pythonで動かして学ぶモータ制御入門，ZEPエンジニアリング株式会社．