GPUとCPUの違いとは?AIの計算にGPUが使われる理由を7つの視点で比較

GPUとCPUの違いを示す図解。少数の大きなコアを持つCPUと、大量の小さなコアを持つGPUのチップの内部 AIデータセンター・GPU
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GPUとCPUの違いは、コアの数と得意な計算です。CPU は少ない数の賢いコアで複雑な仕事を順番にこなし、GPU は単純なコアを大量に並べて、同じ形の計算を一度に進めます。

AIの学習や推論の中身は、ほとんどが掛け算と足し算のくり返しです。だから GPU が向いています。では、GPU があれば CPU はいらないのか。答えは「いる」です。

先に読みたい節 7つの視点の比較表/AIの計算がGPU向きな理由/AIデータセンターでのCPUの仕事

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AIデータセンターの5つの構成要素
計算(GPUサーバー) ←ココ 記憶(ストレージ) 通信(ネットワーク) 電力供給 排熱処理(冷却)
計算の積み上がり(下から上へ)
CPU・GPU(チップ) ←ココ HBM(メモリ) GPUサーバー GPUラック AIデータセンター

GPUとCPUの違いとは

先に結論

GPUとCPUの違いは、CPUは「少ないけれど賢いコア」で、複雑な仕事を順番に素早くこなすのが得意。GPUは「単純だけれど膨大な数のコア」で、同じ形の計算を一度に大量にこなすのが得意という点にあります。

AIの学習や推論の中身は、ほとんどが「掛け算と足し算」のくり返しです。この形の計算は、たくさんのコアで同時に進められるため、GPUが向いています。一方、データの準備やプログラム全体の段取り、OSの仕事はCPUが受け持ちます。AIデータセンターのサーバーは、CPUが指揮を取り、GPUが大量の計算を引き受ける組み合わせで動いています。

用語メモ:コア

チップの中で、実際に計算をする部分。CPUはこのコアが数個〜百数十個、GPUは数千〜1万個以上あります。

用語メモ:並列計算

たくさんの計算を、同じ時間に同時に進めること。AIの計算は、この並列計算に向いた形をしています。

少数の賢いコアのCPUと、大量の単純なコアのGPUを比べ、AIサーバーで組み合わせる様子を示した概念図

いちばんの違い:コアの「数」と「性格」

GPUとCPUの違いは、チップの中の計算する部分(コア)の作り方に表れます。

16,896
NVIDIA H100(SXM5)の FP32 の CUDA コアの数
出典:NVIDIA Technical Blog「NVIDIA Hopper Architecture In-Depth」
最大192
AMD 第5世代 EPYC(サーバー向けCPU)のコアの数
出典:AMD プレスリリース(2024年10月10日)

サーバー向けのCPUでも、コアの数は多いもので200個に届かない程度です。そのかわり、1つ1つのコアが、複雑な分岐や予測をこなす仕組みと、大きな作業机(キャッシュ)を持っています。GPUは、1つ1つのコアは単純ですが、その数が桁違いに多く、同じ命令を大量のデータに一斉に当てはめるのが得意です。

たとえるなら

CPUは、どんな難問でも解ける少人数の専門家チームです。GPUは、九九を覚えた大勢の生徒が並んだ教室です。難しい応用問題は専門家のほうが速く解けますが、何万問もの掛け算の計算ドリルなら、全員で一斉に解く教室のほうが圧倒的に速く終わります。

このブロックの参照データ
・AMD プレスリリース(2024年10月10日) 第5世代 EPYC のコア数
少人数の専門家チームと、大勢の生徒が並ぶ教室にたとえて、CPUとGPUのコアの違いを示した図

GPUとCPUの違いを7つの視点で比較

視点 CPU GPU
1. コアの数数個〜百数十個数千〜1万個以上
2. コアの性格1つ1つが賢く、複雑な処理に強い1つ1つは単純。同じ計算を一斉にこなす
3. 得意な仕事分岐の多い処理、OS、データベース、全体の段取り行列の掛け算、画像処理、AIの学習と推論
4. 処理の進め方1つの仕事を、待ち時間を短く素早く終える大量の仕事を、まとめて一気に終える
5. メモリDDR などの汎用メモリ。容量を大きくしやすいHBM などの広帯域メモリ。データを送る速さを重視
6. 電力と熱1個あたり数百W級1個あたり数百W〜1kW級。液冷が広がる
7. 役割指揮者。プログラム全体を動かす計算の担い手。CPUから仕事を受け取る
ポイント:CPUが「待ち時間(レイテンシ)を短くする」設計なのに対し、GPUは「たくさん運ぶ(スループットを上げる)」設計です。どちらが上かではなく、得意な仕事が違うと考えるのが正確です。
用語メモ:レイテンシとスループット

レイテンシは1つの仕事が終わるまでの待ち時間。スループットは一定時間に終えられる仕事の量。宅配便でいえば、1個を速く届けるのがレイテンシ、トラックで大量に運ぶのがスループットです。

コアの数・性格・得意な仕事・進め方・メモリ・電力・役割の7つの視点で、CPUとGPUを並べた比較の図

なぜAIの計算はGPU向きなのか

AIのモデル(ニューラルネットワーク)の計算は、大きな表(行列)どうしの掛け算と足し算のくり返しです。表の中の1つ1つの計算は、ほかの計算の結果を待たずに、同時に進められます。

この工程の役割
受け取るもの
入力(文章・画像)
数字の並びに変換
→
計算
行列の掛け算を大量にくり返す
同じ形の計算が何億回も
→
次の工程へ渡すもの
出力
次の単語や答えを予測
同じ形の計算が大量にある

行列の掛け算は、同じ手順を大量の数字に当てはめる計算です。たくさんのコアに分けて同時に進められます。

専用の計算回路がある

最近のGPUには、行列の掛け算を一度に進める専用の回路(NVIDIA でいう Tensor コア)が載っています。

データを送る道が太い

大量の数字を休みなく計算回路に送るため、GPUのそばに広帯域のメモリ(HBM)を置いています。

3.35TB/s
NVIDIA H100 SXM のメモリ帯域(1秒に送れるデータの量)
出典:NVIDIA H100 製品ページ

GPUは、もともとゲームの画面を描くために生まれました。画面の何百万もの点(画素)の色を一斉に計算する仕事が、AIの行列の計算とよく似ていたため、AIの主役になりました。

このブロックの参照データ
・NVIDIA H100 製品ページ メモリ帯域・TDP
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GPUがあればCPUはいらない?AIデータセンターでのCPUの仕事

答えは「いいえ」です。GPUは、自分で仕事を始めることができません。どのデータを、どの順番で、どのGPUに計算させるかを決め、結果を受け取って次の段取りをするのはCPUです。

CPUの仕事 中身
段取り(指揮)プログラム全体を動かし、GPUに計算を割り当てる
データの準備ストレージから読み込んだデータを整え、GPUに渡す
通信の取りまとめネットワークやほかのサーバーとのやりとりを管理する
OSと管理サーバーそのものを動かし、監視や制御をする

AIサーバーの中では、CPU1〜2個に対して、GPUを4〜8個つなぐ構成がよく使われます。CPUの段取りが遅いと、高価なGPUが仕事待ちで遊んでしまうため、CPUとGPUをつなぐ道の太さも重要です。

たとえるなら

厨房にたとえると、CPUは料理長、GPUは大勢の調理スタッフです。料理長が注文を受けて段取りを決め、スタッフが一斉に下ごしらえをこなします。料理長がいなければスタッフは動けず、スタッフがいなければ大量の注文はさばけません。

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CPUとGPUを1つにまとめる新しい形

CPUとGPUの間でデータを受け渡す時間と電力を減らすため、2つを近くに置いたり、1つのモジュールにまとめたりする流れが進んでいます。

同じ基板に近づける

NVIDIA は、自社のCPU(Grace)とGPUを1つのモジュールにまとめた製品を出しています。CPUとGPUを専用の高速の道でつなぎ、メモリをやりとりしやすくしています。

同じパッケージに入れる

AMD のように、CPUとGPUのチップを1つのパッケージに並べる製品もあります。チップレットの技術を使って、別々に作ったチップを組み合わせます。

パソコンでも

パソコン向けのチップでも、CPU・GPU・AI向けの回路(NPU)を1つにまとめるのが当たり前になりつつあります。

一体化が進んでも、CPUとGPUの役割分担そのものはなくなりません。「段取り役」と「計算の担い手」を、どれだけ近くに置けるかの競争です。

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GPUが増えると、データセンターの何が変わるのか

GPUは、大量の計算を一斉にこなすぶん、1個あたりの消費電力も大きくなりました。NVIDIA H100 SXM の最大の消費電力(TDP)は、設定によって最大700Wです。これを何千個、何万個と並べるのがAIデータセンターです。

この工程の役割
受け取るもの
GPUの増加
1個あたり数百W〜
→
ラックの電力
1ラックあたりの電力が急増
電源設備が足りなくなる
→
次の工程へ渡すもの
熱の増加
空気では冷やしきれない

CPU中心の従来のデータセンターとAIデータセンターの違いは、ほとんどがこの「GPUの電力と熱」から生まれています。計算・電力・冷却・通信の4つのボトルネックは、すべてGPUにつながっています。

GPUが増えるとラックの電力が増え、熱が増えて液冷が必要になる因果の流れと4つのボトルネックを示した図

GPUとCPUの違いを知ると、何が見えてくるか

あなたにとっての意味
仕事で関わる方へ:サーバー・電気・設備のどの担当でも、AIの計算の重さはGPUの数で決まり、電力と熱の多くもGPUから来ると知っておくと、話の中心がどこにあるかがわかります。
投資家の方へ:AI関連のニュースで「GPUの出荷が増える」と出たら、その周りのHBM・先端パッケージ・電源・冷却の需要も一緒に動きます。CPUの需要とは動き方が違う点に注意すると、位置づけがわかりやすくなります。
学生・就活中の方へ:情報系・電気電子系の学生にとって、CPUとGPUの違いは「計算機の作り方」の基本です。並列計算の考え方は、AIの仕組みを学ぶ入口にもなります。

よくある誤解

誤解1:GPUはCPUの上位版

得意な仕事が違うだけで、上下ではありません。分岐の多い複雑な処理では、CPUのほうが速いことが普通です。

誤解2:AIサーバーにCPUはいらない

GPUは自分で仕事を始められません。段取り・データの準備・通信の取りまとめはCPUが担います。

誤解3:GPUのコアの数で性能が決まる

コアの数だけでなく、専用の計算回路、メモリの帯域、チップどうしをつなぐ道の太さで、AIの性能は大きく変わります。

まとめ

  • CPUは少数の賢いコアで、複雑な仕事を素早くこなす
  • GPUは大量の単純なコアで、同じ形の計算を一斉にこなす
  • AIの学習と推論は行列の掛け算のくり返しで、GPUに向いている
  • AIサーバーでは、CPUが段取りを取り、GPUが大量の計算を引き受ける
  • GPUの電力と熱が、AIデータセンターの電源と冷却を変えた

よくある質問

Q. GPUとCPUの違いは何ですか?

A. CPUは少数の賢いコアで複雑な処理を素早くこなし、GPUは大量の単純なコアで同じ形の計算を一斉にこなします。

Q. なぜAIにはGPUが使われるのですか?

A. AIの計算は行列の掛け算のくり返しで、たくさんのコアで同時に進められる形をしているからです。

Q. AIサーバーにCPUは必要ですか?

A. 必要です。プログラムの段取り、データの準備、通信の取りまとめはCPUが受け持ち、GPUに計算を割り当てます。

Q. GPUはもともと何のための部品ですか?

A. ゲームなどの画面を描くための部品です。画素の色を一斉に計算する仕事が、AIの計算とよく似ていました。

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