【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？

　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。

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