Nvidia G-Sync - Potenzial, die Spieleindustrie zu verändern?

G-Sync erfordert neben einer Geforce-Grafikkarte mit Kepler-GPU einen kompatiblen Monitor, welcher mit einer Steuerplatine von Nvidia ausgestattet ist. Laut Nvidia sind ältere Geforce-Modelle, zum Beispiel mit Fermi-Innenleben, nicht dazu in der Lage, die Monitor-Timings ausreichend flexibel zu steuern, um G-Sync nutzen zu können. Ob die Technik später auch für andere Hersteller lizenzierbar sei, wollte Nvidia auf Nachfrage noch nicht bestätigen oder verneinen. Erst einmal gehe es darum, G-Sync am Markt zu etablieren. Ob sich daraus ein industrieweiter Standard entwickle und unter welchen Bedinungen das geschehen könnte (Stichwort Lizenzgebühren), wollte man noch nicht kommentieren.

Wir werfen in diesem Special einen genaueren Blick auf die Technik und erläutern die Hintergründe, die Wirkungsweise und geben einen Ausblick auf die möglichen Implikationen für die Hardware- und Spieleindustrie. Vorab noch ein gut gemeinter Ratschlag: Versuchen Sie nicht, sich ein Bild von G-Sync ausschließlich anhand eines abgefilmten Videos zu machen. Wir haben die rund zehnminütige Demo an zwei identisch konfigurierten, nebeneinander aufgestellten Systemen ebenfalls mitgeschnitten - und das sogar in Full-HD mit 50 Vollbildern pro Sekunde. Aber obwohl wir die Demo live gesehen haben, fällt es im Video schwer, einen Unterschied zu erkennen. Das steht jedoch im krassen Gegensatz zum Hands-on-Bildeindruck, den wir vor Ort gewinnen konnten.

Die Monitor-Seite

Quelle: Nvidia Nvidia G-Sync: Nvidia-Chef Huang zeigt das G-Module in die Kameras Derzeit sind Asus, Benq, Viewsonic und Philips mit im grünen Monitor-Boot, Serienmodelle werden für Anfang des kommenden Jahres erwartet. Der Aufpreis gegenüber normalen, für Spieler gut geeigneten Monitoren ist noch nicht bekannt, liegt aber größtenteils in der Hand der Dispay-Anbieter - natürlich wird Nvidias G-Modul nicht unbedingt günstiger als die herkömmliche Steuerelektronik ausfallen. Wir halten derzeit einen Aufpreis von 50 bis 80 Euro oder etwa 20 bis 25 Prozent für realistisch. Positiv stimmt hier, dass Nvidia gleich von Anfang an mit mehreren Partnern in den Markt gehen will, sodass eine unmittelbare Konkurrenzsituation entsteht. Asus hat bereits den auch in der Demo verwendeten VG248QE in einer G-Sync-Enhanced-Version für 399 US-Dollar angekündigt.

Etwas konfus ist derzeit die Informationslage um ein Upgrade-Modul, welches angeblich für den Asus VG248QE angeboten werden soll. Tony Tamasi äußerte uns gegenüber im Gespräch Bedenken hinsichtlich der nach einem solchen Basteleingriff verfallenden Monitor-Garantie und Gewährleistung. Berichte, dass die Technik ausschließlich TN-Panels unterstützt, konnte Nvidia uns nicht bestätigen - allerdings werden die ersten Monitore mit G-Sync hauptsächlich Gamer-Displays mit 120- oder 144-Hz-Displays sein und diese nutzen nun einmal TN-Panels. Prinzipiell spricht unserer Meinung nach aber nichts gegen eine Verwendung von G-Sync mit anderen, regulären Panel-Typen, sofern sie ausreichend schnelle Bildrefreshes jenseits der 60 Hertz unterstützen. John Carmack, Ex-id-Software und nun bei Oculus VR tätig, meinte allerdings, dass die von ihnen derzeit verwendeten LCDs, welche allerdings aus dem Mobile-Bereich stammen, die Technik nicht unterstützen würden.

Ein möglichst schneller Bildrefresh ist wichtig, damit auch der Vorteil der verringerten Eingabeverzögerung umgesetzt werden kann, denn wenn ein Einzelbild schneller als die regulären 16,7 ms (bei 60-Hz-Refresh) fertig wird, sollte es genauso auch nach 14 ms dargstellt werden können wie im umgekehrten Falle nach 21 ms - anstatt auf das nächste Intervall bei 32 ms warten zu müssen.

Warum sollte man G-Sync brauchen?

Quelle: PC Games Hardware Nvidia G-Sync: Vsync Off = Tearing Nach über 20 Jahren im Grafikkartenmarkt und im 15. Jahr nach Erfindung der GPU - wie Nvidia die Geforce-Einführung 1999 gern bezeichnet - scheint man sich langsam vom reinen Fps-Rennen verabschieden zu wollen und wieder mehr Wert auf die Qualität der dargestellten Bilder legen zu wollen.

Während einzelne Pixel mit Hunderten bis Tausenden von Rechenschritten immer hübscher werden, hat man - auch bedingt durch den Benchmark-Wahnsinn der 3D-Ära - ein wenig den Blick für das große Ganze verloren, wie Nvidia zugibt. Zwar werden die gerenderten Bilder pixel- und bitweise auf Unterschiede hin untersucht, grobe Bildfehler wie ein unvermeidlicher Bildriss ("Tearing") bei abgeschalteter vertikaler Synchronisation, Stottern bei unregelmäßigen Fps-Raten oder Eingabeverzögerungen bei Dreifach-Pufferung aber ignoriert.

Tearing, Stutter und Lag, das sind die drei Stichworte, die Nvidia-Chef Huang als die Geißel der Spieler bezeichnete. Mit bisherigen Methoden kann man diese drei Probleme nur schwer in den Griff bekommen. Gegen Tearing hilf Vsync - so weit, so gut. Damit hier aber nicht der gefürchtete Fps-Einbruch von 60 auf 30 Fps zuschlägt, muss Triple-Buffering zum Einsatz kommen, was aber zum einen nicht alle Spiele bieten, zum anderen auch die Eingabeverzögerung erhöht (in grauer Vorzeit war der zusätzliche Speicherplatz für eine weitere Framebuffer-Kopie ebenfalls ein Faktor, der gegen den Einsatz von TB sprach). Eine andere, jedoch nur suboptimale Möglchkeit war, ein flotter Spielermonitor mit 120 oder 144 Hertz, der neben seiner nativen Refreshrate als Zwischenstufe unterhalb von 60 noch einen Stop bei 40 respektive 48 Fps eingelegt hätte. Das Problem "springender" Fps-Raten wäre hier aber ebenfalls noch vorhanden. Zudem, das merkte John Carmack später im Gespräch an, wären diese Artefakte der Bilddarstellung auf gewöhnlichen Monitoren zwar ärgerlich, bei Verwendung eines VR-Systems wie seinem Oculus Rift jedoch würde das wesentlich stärker stören und wenn man springende Fps-Raten ("hitches") hätte, würde einen das beinahe umbringen.

Die Eingabeverzögerung hingegen lässt sich nur minimieren, indem man auf Triple-Buffering verzichtet und eventuell sogar die pre-rendered-Frame-Grenze per Treiber oder Tweak-Tool senkt.

Zwischen Hühneraugen, Fußpilz und Akne hatte man also nur die Wahl, konnte aber nicht alle drei auf einmal loswerden - außer, wenn man sehr potente Hardware sein eigen nennt, die wirklich konstant, also auch unter widrigen Umständen, die 60 Fps halten kann oder man auf entsprechend viele Spieldetails verzichtet, um dies zu erreichen (s. auch den übernächsten Abschnitt über die Auswirkungen auf die Spiele-Industrie)

Was macht G-Sync?

Quelle: PC Games Hardware Nvidia G-Sync: So soll es funktionieren. G-Sync soll all das nun ändern, indem es die Steuerelektronik des Monitors, speziell den Scaler, ersetzt und die Kontrolle über die Auffrischung und Erneuerung der Bildinhalte der GPU überlässt. Effektiv werden dadurch aus zwei getrennt voneinander arbeitenden Systemen, Monitor und Grafikkarte, deren Synchronisierung immer schwerer fiel, quasi ein Tandem, bei dem beide Komponenten Hand in Hand arbeiten. Die Monitore werden dadurch de facto zu Displays mit variabler Auffrischungsrate ("Variable Refresh Rate"), deren Impuls von der Grafikkarte gegeben wird und hier unterscheidet sich die Hardware-gestützte Lösung auch von den Vorteilen, die heute schon mit Adaptive V-Sync oder Frame-Limitiern geboten werden. Denn diese reinen Softwareverbesserungen deaktivieren lediglich VSync unterhalb von 60 Fps oder begrenzen die Bildrate nach oben, sodass zumindest Tearing weiterhin ein Problem bleibt.

Anstelle von Verzögerungen der Bildausgabe, wenn die GPU schneller als zum normalen 16-ms-Intervall mit den Berechnunge eines Bildes fertig ist, kann ein G-Sync-System das Bild unmittelbar zum Display schicken. Empfindliche Spieler werden zwar auch hiervon profitieren, aber für die breite Masse dürften konstante 60 Fps für heutige Spielinhalte in der Regel ausreichen. Sie profitieren dann eher von der zweiten Möglichkeit, nämlich dem Falle, wenn der PC (oder allgemein "das G-Sync-Gerät") erst später mit der Berechnung fertig ist - zum Beispiel nach... 17 ms! Für ein VSync-System ist dann der Refresh-Zug bereits abgefahren und es kommt zu 15 ms sinnloser Wartezeit, bis das nächste Bild angezeigt werden kann. Ebenfalls nicht besonders erstrebenswert: Dauert die Berechnung sogar länger als 32 ms, muss das vorige Bild abermals an den Monitor geschickt werden. Die gefühlte Lücke zwischen dem letzten "neuen" Bild bis 0 ms und dem nächsten neuen nicht bei 16 und auch nicht bei 32 ms, sondern erst bei 48 ms ist schon ein arger Schluckauf im Spielablauf - das entspricht rund 20 Fps. Schauen Sie dazu auch gern in unser Vergleichsvideo zwischen 60, 30 und eben auch 20 Fps - Sie werden schockiert sein!

Was bedeutet G-Sync für die Spiele-Industrie?

Die Folgen, welche sich bei breitem Einsatz der Technik ergeben, sind größer als lediglich der flüssigere Gesamteindruck für Spieler, die im Besitz einer solchen Hardwareausstattung sind.

Zum einen besteht die Möglichkeit, auch auf leistungsschwächerer Hardware Spiele mit einem flüssigeren Bildeindruck darzustellen, ohne dazu a priori auf Details verzichten zu müssen, da mit G-Sync Spiele auch mit 40 Fps synchron, flüssig und verzögerungsarm laufen. Zum anderen - und hier äußerten sich die Industriegrößen Sweeney und Andersson sehr positiv - befreit diese Flexibilität Entwickler bei entsprechender Marktverbreitung potenziell davon, zu konservativ mit Details umgehen zu müssen. Bei einem 60-Fps-Ziel, wie es besonders für Konsolenspiele häufig ausgegeben wird, rechnen Entwickler oft einen kleinen Sicherheitspuffer ein und arbeiten mit einer Ziel-Frametime von 14 Millisekunden. Um die zu erreichen, muss man des Öfteren in den sauren Apfel beißen und den einen oder anderen Effekt etwas zurückfahren, die Szene um belebende Dekoration erleichtern, der Reduzierung von AO-Auflösung oder gar zu harten Mitteln wie dem Recyclen von Bufferinformationen greifen und etwa bestimmte Schatten nur in jedem zweiten Bild aktualisieren. Hier ist besonders die Dissonanz zwischen den ruckelnden Schatten innerhalb eines eigentlich flüssigen Bilder problematisch.

Fallen all diese Beschränkungen weg, hätte G-Sync das Potenzial, nicht nur einen flüssigeren Spielablauf zu ermöglichen, sondern auch Spiele in höherer Detailfülle zu fördern. In einer anschließenden Dikussion formulierte Quake-Schöpfer und id-Software-Ex-Mastermind John Carmack es treffend:

If you had G-Sync available on the game system, the target you're designing for, you're free to do that. You could say that mostly we want this to be really silky smooth but a few places we just wanna blow the doors off. So it's ok to chop down a little bit and that would just unequivocally make for better games.

Quelle: PC Games Hardware Nvidia G-Sync: John Carmack ist begeistert [I fought the crusade for 60 frames per second locked frame rate last generation and there are a lot of significant sacrifices that get made along the way. There were constand battles that we can't do this particles effect here and we can't have more creatures here. The game would have been better if you could just say alright, 90 percent of it is 60 frames per second but 10 percent is just gonna be awesome and it's gonna be a little bit lower framerate.
But we didn't really have that option because [unintelligible] 60 to 30 is a cliff you fall off and we weren't willing to do that. If you had G-Sync available on the game system, the target you're designing for, you're free to do that. You could say that mostly we want this to be really silky smooth but a few places we just wanna blow the doors off. So it's ok to chop down a little bit and that would just unequivocally make for better games.] - Hier nochmals im kompletten Sinnzusammenhang auf die Frage, was er über G-Sync denke.

Epic-Chef Mark Rein zeigte sich ebenfalls sehr angetan:

This [G-Sync] eliminates the [content complexity] penalty for the dropping frame rate.

Die Grenzen von G-Sync

Die Möglichkeiten sind, wie besonders im vorigen Abschnitt aufgezeigt, enorm. Doch das gesamte Potenzial steht und fällt mit der Verbreitung der Technik. Denn wenn entsprechende Bildschirme nicht auch im Wohnzimmer oder den entsprechenden Zielsystemen für die Entwickler Einzug halten, ist es sehr unwahrscheinlich, dass nur für einen möglichen PC-Port sämtliche Level noch einmal neu gestaltet und verbessert werden - insbesondere, wenn dies nur auf Geforce-Grafikkarten möglich ist. In diesem Zusammenhang ist es auch für Nvidia wichtig, dass man aktiv daran arbeitet, G-Sync auf möglichst breiter Basis zu etablieren und auch andere Hersteller ins Boot holt. Und damit meinen wir nicht die Display-Anbieter! Bei den Bildschirmen könnte ein upgrade-fähiges Steuermodul, wie bei einigen Flatscreen-TVs vorhanden, zu einer nachträglichen Geheimwaffe werden.

Machtlos ist G-Sync bei Stottern und niedrig-ruckligen Fps, wenn die Spieleengine gerade mit anderen Dingen beschäftigt ist und zum Beispiel während einer Drehung um die eigene Achse aufgrund des Textur-Streamings gerade auf Daten aus dem Speicher wartet. Ebenfalls nicht wirksam ist die GPU-Synchronisation gegen ruckelnde Bildeindrücke, die durch verringerte Engine-Updates entstehen, etwa wie in dem oben angesprochenen Beispiel bei nur in jedem zweiten Einzelbild aktualisierten Schatten- oder AO-Informationen.

Diese beiden Probleme könnten allerdings durch eine große, herstellerübergreifende Marktverbreitung verringert werden - auch hier können wir nur noch einmal betonenen, wie wichtig auch die Einbeziehung der Konsolenhardware in die Technik wäre, schließlich werden die meisten Spielinhalte erst einmal im Hinblick auf eine möglichst breite Verwendungsmöglichkeit gestaltet.

Kommen wir abschließend zu einem Problem, welches auch PC Games Hardware betrifft - dem der Bewertung. Jeder Mensch reagiert unterschiedlich auf Ruckeln und hat eine andere Schwelle, ab welcher ihm Einzelbilder in einer Bildfolge störend auffallen. Daher ist auch für jeden Anwender der Grad an Nutzen, welcher sich aus G-Sync ziehen lässt, unterschiedlich. Dazu kommt, dass der G-Sync-Vorteil durch klasische Benchmarks kaum zu erfassen ist, will man keinen subjektiven Faktor in die angezeigten Fps mit einbeziehen. Das Problem ist verwandt mit der Frameverteilung bei Multi-GPU-Systemen, über die PC Games Hardware bereits seit Jahren ausführlichst und umfassend berichtet. Doch während dort mithilfe von FCAT zumindest eine Quantifizierung möglich ist, muss sich bei G-Sync erst noch zeigen, inwieweit es in eine Grafikkarten-Bewertung einfliessen kann - oder soll.

Fazit: Nvidia G-Sync

Quelle: PC Games Hardware Nvidia G-Sync: Vier Monitorhersteller sind an Bord. Flüssigeres, schöneres Spielen bei niedrigen Fps-Raten - das klingt toll und kann sicherlich ein Grund zugunsten einer Kaufentscheidung sein. Doch was man an Hardware-Ausstattung sparen kann, wird wohl zumindest anfangs in ein entsprechendes Display investiert werden müssen, mit 50 bis 70, eventuell auch 100 Euro Aufpreis sind zu rechnen. Dazu kommt, dass sich damit nach aktuellem Stand auf einen Hersteller festlegt, soll diese Investition beim nächsten PC-Upgrade nicht verfallen.

Für Nvidia G-Sync bedeutet das ein enormes Potenzial - sowohl für die Firma, als auch für die Spieler. Doch vieles hängt davon ab, wie Nvidia mit der Technik umgeht und welche Anstrengungen getroffen werden, die Verbreitung zu forcieren. Dass das gelingt, können wir nur hoffen, denn der erste Eindruck, den wir uns vor Ort verschaffen konnten, war überaus positiv. Die gezeigte Demo mit einem hin- und herschwingenden Pendel war gut geeignet, die Vorzüge zu verdeutlichen: Trotz als flüssig angenommener Fps-Rate von rund 50 Bildern pro Sekunde war die Beschriftung der Schwungmasse ohne G-Sync kaum zu entfziffern, mit G-Sync jedoch klar lesbar.

Nvidia G-Sync: Nachtrag #1 - Details zum Asus-Monitor

Zum im Artikel erwähnten G-Sync-Monitor von Asus gibt es nun ein paar mehr Informationen. Der "G-Sync enhanced" Gaming-Monitor VG248QE soll im ersten Halbjahr 2014 erscheinen. Er verfügt über eine Bildschirmdiagonale von 24 Zoll, Bildschirminhalte werden in Full-HD-Auflösung mit 1.920 x 1.080 Bildpunkten wiedergegeben. Beim Panel kommt ein TN-Panel zum Einsatz. Bei Grau zu Grau liegt die Reaktionszeit bei einer Millisekunde. Die Bildwiederholfrequenzrate beträgt wie beim Asus VG278HE144 Hz, aber nur beim Einsatz von Dual-Link-DVI oder Displayport. Bei Bedarf lassen sich Sounds über die zwei integrierten Lautsprecher wiedergeben, welche jeweils über eine Leistung von zwei Watt verfügen. Der Standfuß ermöglicht es, den Monitor sowohl in der Höhe zu verstellen, als auch zu schwenken oder zu neigen. Auch eine Pivot-Funktion ist möglich. Der Originalpreis des G-Sync-losen Monitors lag bei 450 US-Dollar, in Deutschland startete er bei 330 Euro und steht nun bei ca. 295 Euro.

Sie können nun auch bei einer Umfrage zum Thema G-Sync mitmachen:
[QUICKPOLL ID=2639]

Nvidia G-Sync: Nachtrag #2 - Exklusiv für AMD?

Mittlerweile gibt es zum Thema "G-Sync bei AMD & Co." noch eine frische Aussage seitens Nvidia. Im Interview mit PC Perspective (ab ca. Minute 49:50) macht Tom Petersen von Nvidia wenig Hoffnung, dass das in absehbarer Zeit möglich wäre. Man erwarte nicht, dass G-Sync auch mit Grafikkarten von AMD & Co. zusammenarbeite. Man habe sehr viel Zeit investiert, dass das auf Geforce-Karten klappt und auch in Kepler und folgenden Generationen entsprechende Schaltungen vorgesehen. Es sei auch gar nicht Nvidias Aufgabe, dafür zu sorgen, dass die G-Sync-Module mit anderen als den Geforce-GPUs zusammenarbeiten, so Petersen. Er erwarte nicht, dass Nvidia hier Zeit investiert oder dass man diese Option überhaupt verfolgt.

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Nvidia hat mit G-Sync eine Technik vorgestellt, die es der Grafikkarte ermöglicht, den Refreshzeitpunkt eines kompatiblen Monitors zu kontrollieren und somit Tearing und Stuttering effektiv zu vermeiden und den Lag zumindest gering zu halten. Im Folgenden wollen wir die Technik näher beleuchten und erläutern.

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