NVIDIA Kepler アーキテクチャ (2012年)（エヌビディアケプラー）
NVIDIA Keplerは2012年3月NVIDIA発表のGK104 GPU (GeForce GTX 680) で初登場した28nmプロセス採用アーキで電力効率2倍・GPU Boost初導入・GeForce GTX Titan (2013) で2880 CUDA Coreを実現した。
NVIDIA Kepler アーキテクチャ (2012年)
概要
NVIDIA Keplerは2012年3月22日NVIDIA発表のGK104 GPU (GeForce GTX 680) で初登場した28nmプロセス採用アーキでFermi (2010 40nm) からの shrink で電力効率2倍・GPU Boost (動的Turbo) 初導入・SMX (改良SM・192 CUDA Core/SM) ・GeForce GTX 680 (1536 CUDA Core・2GB GDDR5・$499) ・GTX 780 Ti (2880 CC・3GB) ・GeForce GTX Titan (2013年GK110 ベース・2688 CC・6GB GDDR5・$999) を実現した。Tesla K20X (HPC 向け・米国 Oak Ridge Titan 18,688基採用・2012年世界一位スーパコン) もKepler ベース。Maxwell (2014) へ世代交代。
主な特徴・仕組み
- 発表: 2012年3月22日NVIDIA・コードネーム「GK104」(GTX 680) ・「GK110」(GTX Titan/780 Ti)
- アーキテクチャ: SMX (Streaming Multiprocessor eXtreme・192 CUDA Core/SM)
- CUDA Core: 1536 (GTX 680・8 SMX×192) →2880 (GTX 780 Ti・15 SMX×192)
- L1 キャッシュ: 16/32/48 KB/SMX
- L2 キャッシュ: 1.5MB (GK110) ・512KB (GK104)
- メモリ: 2-6GB GDDR5・256bit (GK104) /384bit (GK110)
- メモリ帯域: 192.3 GB/s (GTX 680) →336 GB/s (GTX 780 Ti)
- DirectX: DirectX 11.0 (DX11.2 with FL 11_0)
- OpenGL: 4.4-4.5
- CUDA Compute: 3.0-3.5
- TDP: 195W (GTX 680) →250W (GTX 780 Ti/Titan)
- プロセス: 28nm TSMC HKMG
- トランジスタ: 35億 (GK104) ・71億 (GK110)
- 発売価格: GeForce GTX 680 $499・GTX 780 Ti $699・GTX Titan $999 (発売時)
Kepler 世代別製品
| GPU | 年 | プロセス | CUDA Core | メモリ | TDP | 発売価格 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| **GK104 (GTX 680) ** | 2012 | 28nm | 1536 (8 SMX) | 2GB GDDR5 | 195W | $499 |
| GK104 (GTX 670) | 2012 | 28nm | 1344 (7 SMX) | 2GB GDDR5 | 170W | $399 |
| GK104 (GTX 660 Ti) | 2012 | 28nm | 1344 (7 SMX) | 2GB GDDR5 | 150W | $299 |
| GK106 (GTX 660) | 2012 | 28nm | 960 (5 SMX) | 2GB GDDR5 | 140W | $229 |
| **GK110 (GTX Titan) ** | 2013 | 28nm | 2688 (14 SMX) | 6GB GDDR5 | 250W | $999 |
| GK110 (GTX 780) | 2013 | 28nm | 2304 (12 SMX) | 3GB GDDR5 | 250W | $649 |
| **GK110 (GTX 780 Ti) ** | 2013 | 28nm | 2880 (15 SMX) | 3GB GDDR5 | 250W | $699 |
| GK110 (GTX Titan Black) | 2014 | 28nm | 2880 (15 SMX) | 6GB GDDR5 | 250W | $999 |
GPU Boost 革新
Intel Turbo Boost (2008) のGPU 版・Kepler で初導入:
- 動作: TDP 内で動的にコアクロックを上昇 (1006MHz→1058+MHz 等)
- メリット: ゲーミング/ベンチで実測FPS+5-10%向上
- 後継: GPU Boost 2.0 (Maxwell) ・3.0 (Pascal) ・4.0 (Turing) ・継続改良
- 競合 AMD: Radeon HD 7000 シリーズ (2012) では PowerTune (静的TDP) のみで動的Boost なし・劣後
SMX (Streaming Multiprocessor eXtreme)
Fermi SM (32 CUDA Core/SM) →Kepler SMX (192 CUDA Core/SM):
- CC/SM 増: 6倍 (32→192)
- メリット: 並列度向上・ダイ面積効率改善
- デメリット: SM 数減少 (Fermi 16→Kepler 8-15 SMX) ・コア間スケジューリングオーバーヘッド
- 後継 Maxwell SMM (128 CC/SM): 効率重視で再削減
Oak Ridge Titan (2012年世界一位スーパコン)
米国Oak Ridge National Laboratory・2012-2018年世界一位獲得:
- 構成: 18,688 ノード×Tesla K20X (Kepler GK110・2688 CC・6GB)
- 計算性能: 17.59 PFLOPS (Linpack)
- 電力: 8.2 MW (1ノードあたり 440W)
- 採用GPU: Tesla K20X (¥600,000相当/カード・1基18,688×= ¥11.2B 規模)
- 歴史的意義: NVIDIA GPU が HPC スパコンの中核デファクト確立した起点
採用システム (2012-2015年)
- 自作PC: ASUS/EVGA/MSI GTX 680/780 Ti/Titan でハイエンド・¥50,000-100,000帯
- Dell Alienware Aurora R5: ゲーミングデスクトップ標準
- HP Omen 800: ゲーミングPC
- **Apple Mac Pro 2013 (ゴミ箱型) **: Tesla 採用 (FirePro/Radeon と並走)
- HPC: Tesla K20/K20X/K40/K80・Cray XK7 (Titan) ・東工大 TSUBAME 2.5
関連技術との違い
| 項目 | Fermi (2010) | Kepler (2012) | Maxwell (2014) |
|---|---|---|---|
| プロセス | 40nm | **28nm (shrink) ** | 28nm (継承) |
| SM 単位 | SM (32 CC) | **SMX (192 CC) ** | SMM (128 CC) |
| 最大CC | 512 (GTX 580) | **2880 (GTX 780 Ti) ** | 3072 (GTX 980 Ti) |
| 電力効率 | 基準 | **2倍 (vs Fermi) ** | 2倍 (vs Kepler) |
| GPU Boost | なし | **1.0 (初導入) ** | 2.0 |
| Compute Capability | 2.0-2.1 | 3.0-3.5 | 5.0-5.2 |
よくある質問 (FAQ)
Q1: Kepler の最大の貢献は？ A: (1) 28nm shrink で電力効率2倍化・「フェルミウム灼熱」問題解決・ (2) GPU Boost 初導入で動的性能向上・ (3) GTX Titan で民生GPU初の「TITAN」ブランド確立・ (4) Tesla K20X で Oak Ridge Titan を世界一位に・全要素でNVIDIA HPC 主導権確定。
Q2: GTX Titan と GTX 780 Ti の違いは？ A: 物理的に同じGK110 GPU・Titan (2688 CC・6GB・$999・2013年2月) ・780 Ti (2880 CC・3GB・$699・2013年11月) 。Titan は FP64 性能 1/3 (HPC 用途) ・780 Ti は FP64 1/24 (ゲーミング特化) 。プロ用途はTitan・ゲーマーは780 Ti選択。
Q3: GTX 680 の現代相当は？ A: 2012年フラグシップ ¥50,000・3DMark Fire Strike 約4,500・GTX 1060 6GB (2016) ・GTX 1650 (2019) と同等・RTX 3050 8GB (2022) の40%程度。Win 11 軽量ゲーム可能・最新AAA 不可。中古¥2,000-5,000で実用レトロPC構築可能。
まとめ
- 2012年NVIDIA発表・GK104 (GeForce GTX 680)
- 28nm shrink・電力効率2倍 (vs Fermi)
- GPU Boost (動的Turbo) 初導入・SMX (192 CC/SM)
- GTX Titan (2013) 2688 CC・6GB・$999
- Tesla K20X で Oak Ridge Titan 採用・HPC 主導権確定