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Ein Klick reicht: Systemlatenz beim Zocken halbieren mit Nvidia Reflex

12.05.2021 | 12:26 Uhr | Sebastian Schenzinger

Nvidia Reflex soll die Systemlatenz gerade im GPU-Limit deutlich reduzieren. Wir haben mit dem Nvidia Latency Display Analysis Tool (LDAT) und dem Nvidia Reflex Latency Analyzer (RLA) nachgemessen und 50 Prozent kürzere Latenzen sind je nach Hardware gut möglich.

Wenn man im hitzigen Multiplayer-Gefecht den Kürzeren zieht, ist selbstverständlich nicht der eigene Skill dafür verantwortlich, sondern zu niedrige FPS-Zahlen, eine schlechte Internetleitung oder eine zu hohe Systemlatenz. Zumindest für letzteres sorgt Nvidia seit einiger Zeit in ausgewählten Titeln mit der Reflex SDK für Abhilfe, welche Spieleentwickler in ihre Games implementieren können, um die Systemlatenz zu senken. Wir haben sowohl mit Nvidias hauseigenem Latency Display Analysis Tool (LDAT) als auch mit einem Nvidia Reflex Latency Analyzer (RLA) kompatiblem 360-Hz-Monitor nachgemessen und sind begeistert. Eine Reduzierung der Systemlatenz um über 50 Prozent ist möglich mit einer "simplen" Software-Implementierung und das ohne Leistungsverlust.


Der Systemlatenz auf der Spur

Lange Zeit galt die durchschnittliche FPS-Zahl als die Messlatte für Computer-Hardware und Spiele. Dabei sind aber vielmehr die FPS-Drops interessant, die auftreten, wenn zum Beispiel im Spiel etwas explodiert. Doch auch die sogenannten Perzentiles respektive Frametimes geben noch keinen endgültigen Aufschluss darauf, wie flüssig ein Spiel letztendlich ist. Es fehlt nämlich noch eine wichtige Komponente, die bisher nicht so einfach messbar gewesen ist: die Systemlatenz oder auch Reaktionszeit. Dieser Wert gibt an, wie viel Zeit von der Eingabe an der Maus, der Tastatur oder dem Controller vergeht, bis eine Reaktion auf dem Display zu sehen ist. Die Systemlatenz und die durchschnittlichen Bilder pro Sekunde stehen dabei jedoch in einer gewissen Relation zueinander. 

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Wenn das System in einem Spiel 100 Bilder pro Sekunde in gleichmäßigen Abständen erreicht, dann vergehen von einem Bild zum nächsten Bild 10 Millisekunden. Diese gleichmäßigen Abstände sind aber ein Wunschdenken, die 100 Bilder pro Sekunde könnten auch folgendermaßen aufgeteilt sein: 40 Bilder in den ersten 250 Millisekunden, dann 30 Bilder in der nächsten Viertelsekunde, gefolgt von 20 und zehn Bildern in den jeweils weiteren 250 Millisekunden. Am Anfang liegt die Renderzeit noch bei 6,25 Millisekunden, am Ende bei 25 Millisekunden.

In der Praxis ändert sich die Renderzeit und damit einhergehend die Systemlatenz natürlich laufend. Zu dieser Zeit für die Berechnung eines Bildes gesellen sich dann noch Latenzen wie der Input-Lag des Displays oder auch die Polling-Rate der Maus. Mit den größten Einfluss hat noch die Bildwiederholungsrate des Monitors sowie die Aktivierung von VSync. So kann ein Monitor mit 60 Hz alle 16,6 Millisekunden ein Bild darstellen. Bei aktiviertem VSync hält die Grafikkarte die berechneten Bilder so lange zurück, bis das Display wieder ein Bild darstellen kann. Schlussendlich steigt dadurch die Systemlatenz um weitere 16,6 Millisekunden oder ein vielfaches davon.

Nvidia selbst hat einen äußerst ausführlichen Artikel veröffentlicht, in dem genau erklärt wird, welche Faktoren alle einen Einfluss auf die Systemlatenz haben. Wir versuchen das ganze etwas kürzer für Sie in vier Blöcken zusammenzufassen:

Systemlazenz als Schaltbild
Vergrößern Systemlazenz als Schaltbild
© Nvidia
  • Die Peripherie-Latenz beschreibt die Zeit, die von der Betätigung des Schalters eines Eingabegeräts, über die Signalübertragung bis hin zur Verarbeitung durch den Treiber vergeht.

  • Es folgt die von Nvidia sogenannte Game-Latenz. Diese tritt durch die Berechnungen auf der CPU - konkret dem Sampling der Eingabe, der Simulation der Eingabe für die Ingame-Welt sowie der Weitergabe der Daten über den Treiber an die Grafikkarte - auf.

  • Für die Render-Latenz ist die Grafikkarte verantwortlich, welche die Rechenaufträge der CPU visualisieren muss. Wenn die GPU die Datenpakete des Prozessors nicht schnell genug abarbeiten kann, tritt hierbei die sogenannte Render-Queue auf.

  • Zuletzt fehlt noch die oben bereits angesprochene Display-Latenz. Also die Zeit, die vergeht, bis das Display das Signal der Grafikkarte verarbeitet und dargestellt hat.

Im Detail überlappen sich diese Vorgänge und Latenzen zum Teil wie die folgende Grafik zeigt:

Systemlatenz im Detail
Vergrößern Systemlatenz im Detail
© Nvidia


Was sind die Render Queue, LDAT, RLA und Nvidia Reflex?

Jetzt wissen wir also, wo überall Latenzen auftreten können, aber was bedeutet das für die Hardware? Bringt zum Beispiel eine schnellere CPU oder GPU immer etwas? Hier müssen wir noch etwas tiefer gehen und die Zusammenhänge genauer analysieren. Dabei ist es wichtig zu wissen, dass bei einem Gaming-PC immer etwas limitiert: sei es jetzt die Grafikkarte, die CPU, der Arbeitsspeicher oder ein FPS-Limit, welches man im Spiel eingestellt hat. Wenn also die CPU nicht in der Lage ist, genügend Datenpakete an die Grafikkarte zu liefern, dann bringt auch eine schnellere GPU nichts. In der anderen Kombination tritt ein interessantes Szenario auf: die oben bereits angesprochene Render-Queue. Aber was bedeutet das eigentlich und welchen Einfluss hat sie auf die Systemlatenz?

Der Render Queue ist der natürliche Feind einer kurzen Systemlatenz.
Vergrößern Der Render Queue ist der natürliche Feind einer kurzen Systemlatenz.
© Nvidia

Render Queue: Wenn die CPU mehr Datenpakete an die Grafikkarte liefert als diese abarbeiten kann, dann müssen zu rendernde Bilder zurückgehalten werden. Die GPU muss also zuerst noch alte Bilder berechnen, ehe sie das aktuelle Bild adressieren kann. Die hierbei aufgestauten Datenpakete werden als Render-Queue bezeichnet. Je schneller die CPU bzw. je langsamer die Grafikkarte, desto stärker kommt dieser Effekt zum Tragen. Das führt dazu, dass auf dem Display nicht das aktuelle Geschehen zu sehen ist, sondern ein vergangenes Bild. Wenn Sie jetzt ein Online-Game zocken, kann das dazu führen, dass ein Gegner Sie töten kann, ehe Sie den Feind überhaupt zu Gesicht bekommen haben. 

LDAT: Bisher war es äußerst schwierig die Systemlatenz überhaupt zu ermitteln und praktisch unmöglich, sie in ihre einzelnen Bestandteile aufzusplitten. Eine teure High-Speed-Kamera war nötig, um den Moment vom Betätigen eines Tasters der Maus bis hin zur Reaktion auf dem Bildschirm zu messen. Die Latenz mussten wir per Hand aus dem aufgezeichneten Video auslesen. Mit dem Latency Display Analysis Tool (LDAT) hat Nvidia den Hardware-Redakteuren jetzt ein Tool zur Verfügung gestellt, um die Messungen deutlich zu vereinfachen und zu automatisieren.

Das kleine LDAT von Nvidia ermöglicht das unkomplizierte Messen der Systemlatenz.
Vergrößern Das kleine LDAT von Nvidia ermöglicht das unkomplizierte Messen der Systemlatenz.

Das Tool besteht letztendlich nur aus einem kleinen "Kasten" der sich via Gummiband am Monitor befestigen lässt. Auf der Rückseite sitzt ein Fotosensor, der Helligkeitsänderungen am Display erkennt. Via USB lässt sich das LDAT-Toolkit mit einem Hostrechner verbinden. Eine LED gibt Aufschluss über den aktuellen Status. Der Button auf der Oberseite lässt sich via Software als "Linke Maustaste" konfigurieren, sodass keine zusätzliche Maus notwendig ist. Alternativ lässt sich auch eine entsprechende Maus mit Zwei-Pin Anschluss verwenden. Bei Bedarf lässt sich außerdem noch ein Mikrofon anschließen, um den Mausklick akustisch aufzuzeichnen. Damit lässt sich ohne Maus auf jedem Display, mit jeder Grafikkarte in jedem Spiel testen. In der Software können wir die Autofire-Funktion aktivieren, die dafür sorgt, dass nach dem ersten Auslösen in einstellbaren Abständen weitere Linksklicks automatisch ausgeführt werden. Dadurch lässt sich leicht eine Messreihe mit zum Beispiel hundert Samples/Schüssen erstellen, welche das Tool nach dem Abschluss der Messungen automatisch als Glockendiagramm präsentiert und die minimale, durchschnittliche und höchste Latenzzeit ausgibt.

Die Software für LDAT ermöglicht AutoFire und erstellt automatisch ein Glockendiagramm. Links ohne Nvidia Reflex, rechts mit.
Vergrößern Die Software für LDAT ermöglicht AutoFire und erstellt automatisch ein Glockendiagramm. Links ohne Nvidia Reflex, rechts mit.

RLA: Das LDAT ist - zumindest aktuell - jedoch nicht für die breite Öffentlichkeit erhältlich und kann zwar die gesamte Systemlatenz ermitteln, aber leider nicht die Einzelzeiten, welche zum Beispiel durch die Render-Queue oder den Input-Lag entstehen. An dieser Stelle kommt der Nvidia Reflex Latency Analyzer (RLA) ins Spiel. Dieser ist bei ausgewählten 360-Hz-Displays mit Nvidia G-Sync Modul integriert und damit vor allem für E-Sportler interessant. Wir haben für unseren Test von ASUS den ROG Swift PG259QNR sowie die kompatible ASUS ROG Chakram Core Maus zur Verfügung gestellt bekommen. Die Maus verbinden wir per USB direkt mit dem Hub des Display, damit der RLA die Latenz des Eingabegeräts auslesen kann. Das Display ist zur Datenübermittlung wiederum per USB mit dem Host-Rechner verbunden. Unterstütze Spiele, Displays und Eingabegeräte können Sie auf der Seite von Nvidia finden. 

Aktivierung von RLA auf dem ASUS ROG Swift PG259QNR
Vergrößern Aktivierung von RLA auf dem ASUS ROG Swift PG259QNR

Beim Display müssen wir dann noch im Menü unter dem Punkt G-SYNC Processor die PC + Display Latency für RLA aktivieren. Das Display zeigt dann in der linken oberen Ecke die aktuelle Hertz-Zahl des Displays sowie die letzte gemessene Systemlatenz an. So können wir unabhängig von der verwendeten Grafikkarte eine Systemlatenz ermitteln, aber leider keinen Durchschnitt aus mehreren Messwerten. Dafür ist zwingend eine Nvidia GeForce Grafikkarte ab der GTX-900-Serie notwendig, sowie die Installation von GeForce Experience. Wir öffnen via Alt + Z das Ingame-Overlay und wählen unter Performance den Punkt Latency aus. Alternativ lässt sich das Overlay auch direkt mit der Tastenkombination Alt + R öffnen. Eine ausführliche Anleitung zum Einrichten von RLA hat Nvidia zur Verfügung gestellt. Das Overlay zeigt uns dann die einzelnen Latenzen wie Renderlatenz, die Mauslatenz oder die Systemlatenz sowie die FPS an. Die Average System Latency berechnet sich dabei aus den letzten 20 ermittelten Werten.

Im Nvidia Overlay können Sie unter Performance die Latenzmessung aktivieren. das geht alternativ auch mit der Tastenkombination Alt + R.
Vergrößern Im Nvidia Overlay können Sie unter Performance die Latenzmessung aktivieren. das geht alternativ auch mit der Tastenkombination Alt + R.
© Nvidia

Vollkommen unabhängig davon, ob wir LDAT oder RLA zum Messen der Systemlatenz einsetzen, müssen wir im Spiel eine einfach reproduzierbare Szene finden. Zum Glück bieten sowohl Fortnite als auch Rainbow Six Siege und Overwatch im Spiel die Funktion Flash Indicator . Das hat zur Folge, dass jedes Mal, wenn wir eine Aktion mit der linken Maustaste ausführen, auf der linken Bildschirmseite ein weißes Rechteck aufblinkt. Genau an dieser Stelle platzieren wir den Fotosensor des LDAT beziehungsweise den vom Display zu überwachenden Bereich von RLA. Beide Tools ermitteln dann die Zeit die vom Drücken der linken Maustaste bis zum Aufleuchten des Flash Indicators vergeht.

Das Ermitteln der Systemlatenz via Nvdia LDAT funktioniert auch mit AMD Grafikkarten.
Vergrößern Das Ermitteln der Systemlatenz via Nvdia LDAT funktioniert auch mit AMD Grafikkarten.

Leider steht diese Funktion nicht in allen Spielen und auch nur mit Nvidia Grafikkarten zur Verfügung. Als Alternative zum Flash Indicator eignen sich Schusswaffen mit großem Mündungsfeuer. Hierfür platzieren wir den Fotosensor so nah wie möglich am Ende des Laufs. Sobald das Mündungsfeuer zu sehen ist, löst der Sensor aus. Hierbei kann es jedoch sein, dass die Spiele-Engine den grafischen Effekt des Mündungsfeuers nicht instantan anzeigt, weshalb die Messwerte nicht vergleichbar sind. Schlussendlich haben beide Messmethoden ihre Vor- und Nachteile. LDAT ermöglicht Autofire in vorgegebenen Abständen und das automatische Erstellen von Diagrammen. Außerdem funktioniert LDAT unabhängig vom Spiel, dem Monitor oder der Grafikkarte. RLA wiederum liefert detaillierte Messergebnisse, aus welchen sich die Systemlatenz zusammensetzt, aber wir müssen jeden Schuss manuell auslösen und sind auf Spiele und Hardware mit Nvidia Reflex Unterstützung eingeschränkt. 

Nvidia Reflex: Nvidia Reflex ist eine SDK, welche die Spieleentwickler in ihre Games implementieren können und die mittlerweile in den meisten Esports-Titeln zu finden ist. Diese kann - wie oben bereits angesprochen -  einen Flash Indicator anbieten. Viel wichtiger ist aber, dass sie den Entwicklern dabei hilft, die Systemlatenz zu reduzieren. Sie können so nämlich nicht nur die Latenzzeiten auslesen, sondern auch optimieren und damit die Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten verbessern. Wenn zum Beispiel die CPU lernt, immer nur dann ein Datenpaket an die GPU zu schicken, wenn diese Kapazitäten freihat, dann wird die Render Queue im Idealfall non existent. Schon seit Längerem gab es mit Nvidia Ultra Low Latency (NULL) eine ähnliche Funktion im Treiber, die jedoch nicht auf ein spezielles Spiel optimiert war und damit nicht ganz so gute Ergebnisse erzielen konnte.


Testsystem und Testaufbau

Für unseren Test verwenden wir zunächst das LDAT, welches wir am  ASUS ROG Swift PG259QNR  für die Messungen in Full HD mit 360 Hz und am ASUS ROG Swift PG27UQ mit 144 Hz für die Messungen in QHD und UHD anbringen. Als PC kommt unser modernisiertes GPU-Testsetup zum Einsatz. Herzstück ist der via CTR 2.1 manuell übertaktete  AMD Ryzen 9 5900X, welcher auf einem MSI MEG X570 Godlike sitzt. Die Kühlung übernimmt die 360-mm-AiO G.Skill ENKI 360. Der Arbeitsspeicher mit vier 8 GB Riegeln stammt ebenfalls von G.Skill aus der Trident Z Neo Serie und taktet mit 3800 MHz bei CL14-15-14-29 und optimierten Sekundärtimings. Das Betriebssystem sowie die Spiele sind auf einer WD Black SN 750 installiert. Für die Stromversorgung ist ein be quiet! Straight Power 11 Platinum mit 1000 Watt zuständig. Das Betriebssystem sowie der Grafiktreiber sind auf dem neusten Stand. Als Spiele testen wir Fortnite, Rainbow Six Siege und Overwatch mit den höchsten Spieleinstellung (Fortnite ohne Raytracing/DLSS) und aktiviertem Flash Indicator.


Messergebnisse - Über 50 Prozent kürzere Systemlatenz möglich

Nach der ganzen grauen Theorie sowie dem Messaufbau kommen wir jetzt endlich zu unseren Messergebnissen. Den Anfang macht dabei der Multiplayer-Ego-Shooter Overwatch:

Testergebnisse: Nvidia Reflex in Overwatch
Vergrößern Testergebnisse: Nvidia Reflex in Overwatch

Die Aktivierung von Nvidia Reflex in Overwatch sorgt für eine deutlich niedrigere Systemlatenz - auch mit High-End-Grafikkarten. Selbst die RTX 3090, welche für Full-HD-Gaming vollkommen überdimensioniert ist, erzielt hier eine 32 Prozent kürzere Systemlatenz, in UHD steigt der Wert auf knapp 43 Prozent an. Das ist zumindest prozentual ein enormer Wert. In der Praxis sind es "nur" 13 Millisekunden. Dem Ottonromalverbraucher, der nur zum Spaß ein paar Runden daddelt, wird das ziemlich sicher nicht auffallen, wohl aber dem E-Sports-Profi, bei dem es auf jede Millisekunde ankommt. Je schwächer die Grafikkarte, desto besser kommt die Funktion von Nvidia Reflex zum Tragen. Mit der schwächsten Grafikkarte in unserem Test, der RTX 2060, lässt sich die Systemlatenz mehr als halbieren. Konkret sinkt sie in Full-HD von 51,6 auf 25,1 Millisekunden und damit um 55 Prozent. Selbst mit der in der oberen Mittelklasse angesiedelten RTX 3060 Ti lässt sich die Systemlatenz in QHD dank Nvidia Reflex nahezu halbieren. Das Feature geht dabei übrigens nicht auf Kosten niedrigerer FPS-Zahlen, wir haben testweise nachgemessen und konnten höchsten 2 bis 3 Bilder pro Sekunde weniger messen, was in den Bereich der Messtoleranzen fällt.

Testergebnisse: Nvidia Reflex in Rainbow Six Siege
Vergrößern Testergebnisse: Nvidia Reflex in Rainbow Six Siege

Im zweiten Spiel, Rainbow Six Siege, bringt die Verwendung von Nvidia Reflex bei Weitem nicht so viel, was in erster Linie daran liegt, dass die Latenz bereits ohne das Feature niedriger liegt als bei Overwatch mit Nvidia Reflex. In Full-HD lässt sich nahezu kein Unterschied messen, bestenfalls lassen sich zwei Millisekunden einsparen. Erst ab QHD lassen sich bei den Mittelklassegrafikkarten und ab UHD bei den High-End-GPUs größere Unterschiede messen. Hier sprechen wir dann von einer Reduzierung der Systemlatenz in einem Bereich von 25 bis 30 Prozent.

Testergebnisse: Nvidia Reflex in Fortnite
Vergrößern Testergebnisse: Nvidia Reflex in Fortnite

In Fortnite fällt das Gesamtbild wieder deutlich besser und ähnlich zu den Messungen in Overwatch aus. In UHD sinkt selbst mit der RTX 3090 die Systemlatenz um 45 Prozent, bei der RTX 2060 sind es in QHD gute 52 Prozent weniger. In Zahlen sprechen wir hier von einer Reduzierung der Systemlatenz um 23 respektive 33 Millisekunden. Auch in Full-HD lässt sich hier ein deutlicher Vorteil durch die Aktivierung von Nvidia Reflex feststellen bei wie bereits angesprochen gleicher FPS-Zahl, kurzum ohne irgendwelche Nachteile.

Testergebnisse: AMD Radeon RX 6700 XT AntiLag
Vergrößern Testergebnisse: AMD Radeon RX 6700 XT AntiLag
© IDG

AMD bietet mit AntiLag ein ähnliches Feature an, das aber eben wie Nvidia NULL nur im Treiber und nicht im Spiel implementiert ist. Das führt dazu, dass wir in Rainbow Six Siege bei der Verwendung der RX 6700 XT durch die Aktivierung von AntiLag in keiner Auflösung einen wirklichen Unterschied messen können. In Overwatch  liegt der Vorteil vollkommen unabhängig von der Auflösung bei acht Prozent. Nur in Fortnite lässt sich eine Skalierung durch eine höhere Auflösung beobachten. So kann AntiLag die Systemlatenz in UHD immerhin um 19 Prozent reduzieren, was aber bei Weitem nicht an die 50 Prozent einer ähnlich schnellen RTX 3070 mit Nvidia Reflex herankommt. An dieser Stelle müssen wir noch einmal daran erinnern, dass bei der Verwendung der AMD Grafikkarte das Feature Flash Indicator nicht zur Verfügung steht. Dementsprechend mussten wir die Messungen mit dem Mündungsfeuer der Waffe durchführen, weshalb die Werte nicht direkt vergleichbar sind. 

Mit dem Nvidia RLA lassen sich detaillierte Messergebnisse zur Systemlatenz ermitteln. Links ohne Nividia Reflex, rechts mit.
Vergrößern Mit dem Nvidia RLA lassen sich detaillierte Messergebnisse zur Systemlatenz ermitteln. Links ohne Nividia Reflex, rechts mit.

Nach den ganzen Messungen mit LDAT folgt noch ein Nvidia Reflex on/off Vergleich, der mit RLA ermittelt worden ist. Da wir hier nicht die Möglichkeit haben den Autofire-Modus zu aktivieren, sind die Messergebnisse nicht direkt vergleichbar. Zudem bildet sich der Durchschnitt bei RLA nur aus den letzten 20 Messungen, wohingegen wir bei LDAT auf 100 Messungen gesetzt haben. Da 20 Messungen aus unserer Sicht für ein konsistentes Ergebnis zu wenig sind, haben wir uns letztendlich dazu entscheiden in erster Linie auf LDAT für diesen Test zu setzen. Der gezeigte Vergleich wurde in Overwatch in Full-HD mit höchsten Einstellungen auf einer RTX 2060 aufgenommen. Aus den Bildern lässt sich schön herauslesen, dass die FPS identisch bleiben, während die Systemlatenz um hohe 58 Prozent abnimmt. 


Fazit

Nvidia macht es clever. Zunächst implementieren sie in den beliebtesten Esports-Titeln mit Nvidia Reflex eine neue Funktion, um das Spielerlebnis weiter zu verbessern, und geben dann uns Testern und den Anwendern mit LDAT und RLA Tools in die Hand, um die Verbesserungen nachmessen zu können. Bei uns im Test kann die Implementierung von Nvidia Reflex auf ganzer Linie überzeugen. Gerade bei leistungsschwächeren Grafikkarten lässt sich die Systemlatenz deutlich reduzieren und das ohne Nachteile - die FPS-Zahl bleibt nämlich gleich. Letztendlich können wir die Verwendung des Features also uneingeschränkt empfehlen. 

Wie sehr sie davon schlussendlich profitieren, hängt natürlich sehr stark von ihren Ambitionen im jeweiligen Spiel. Gerade für Esports-Profis sehen wir die Aktivierung von Nvidia Reflex als absolutes Muss an, um stets die bestmögliche Siegchance zu haben. Schlussendlich fällt dann aber die letzte Ausrede weg, warum man schon wieder gestorben ist und alles hängt nur noch vom persönlichen Skilllevel ab. Aber auch wenn Sie nur zum Spaß zocken, können Sie Reflex bedenkenlos aktivieren, es bringt schließlich nur Vorteile und keinen Nachteil mit sich. Viel Geld dafür auszugeben, sich einen Monitor und eine Maus mit Nvidia RLA zu kaufen, macht dagegen aus unserer Sicht eher wenig Sinn. Natürlich ist es ein nettes Gimmick die Systemlatenz nachmessen zu können, aber schlussendlich reicht es auch einfach Nvidia Reflex zu aktivieren und glücklich zu sein. Für alles andere gibt es Testberichte.

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