GPU,TPU,CPUとは何か？

概要

新聞やネット記事を見ると生成AIやnVidiaのGPUというワードを毎日見る2026年ですので、GPU,TPU,CPUについて語ってみよう。

GPUとは？

GPUの歴史から話を始めると、GPUは元々はゲームのグラフィックカードでした。GPUというオプションカードをパソコンに指すとゲームが滑らかに動くようになります。
今はその演算機能を転用して生成AIといえばGPUを使用することになっています。
では、GPUとは何なのか？
下は私が設計したGPUの写真です。

GPUとは、一言で言えばSIMD（Single Instruction, Multiple Data）計算機。
1つの命令で複数のデータを同時に処理するデータ並列化技術です。

add d1, d2, d3, d4, p1, p2, p3, p4

add：加算命令
データ：d1〜p4
こんな感じで、一つの命令で多数のデータを処理することが可能なのがGPU。
私が設計したGPUでの処理結果が下記です。ディープラーニング技術を用いて文字認識してます。CPUボードからデータ送受信も本物のGPUカードのようにPCI-Expressです。

TPUとは何か？

最近はGPUではなくTPUというものがCPUに内蔵されてAI関連の処理を行うようになっています。では、TPUとはなにか？
下図が私が学習用に設計したTPUです。

半導体Chipにタイル状に並べられた演算ユニットがデータをお互いに受け渡しながら演算を実行していきます。
下に私が学習用TPUを設計したコードを下のリンクに置いてます。
PythonコードのSystolicArray_model.pyを読めばTPUの動作を理解するのが分かりやすいと思います。

CPUとは何か？

今はCPUが一般常識の用語であると思いますが、パソコンもスマホもCPUが動かしてます。私が設計したCPUが下図です。CPUとは、一言で言えば「コントローラーに特化した演算回路」です。何でも計算できる用途向けに特化した演算回路です。新聞で「スーパーコンピューターで1ヶ月かかる計算」との記事を読むことも多いですが、そもそもスーパーコンピューターのCPUで計算するのは「遅い」です。CPUは何でも計算出来るトレードオフ（代償）として遅いのです。
だから単純な計算ではGPUやTPUを使用したほうが速いということです。

CPU試作用ボードを使って、この設計の自作CPUを動作させてみよう。
使用機材は下の写真のCPUボード＠5千円です。

このCPUの動画が下記です。
CPU上で自作OSを起動させて、一通りの動作をさせています。
primes 100↵
コマンド実行で100までの素数を表示。
primes 10000↵
コマンド実行で10000までの素数を表示。

所感

あえて情報量を少なくして書いてみました。

（土日ほど仕事が捗るっていうね・・）