Warum es bei den meisten Spielen so schwer ist, 144fps zu erreichen

Es ist der Heilige Gral der aktuellen Gaming-PCs: 144fps. Sie haben sich einen großartigen Gaming-Monitor zugelegt und ihn mit der schnellsten CPU und einer der besten Grafikkarten kombiniert, die man für Geld kaufen kann. Alles ist so flüssig, so reaktionsschnell, und Sie sind bereit, Ihre Gegner mit Ihren überlegenen Fähigkeiten zu dominieren – oder zumindest mit Ihrer höheren Bildwiederholfrequenz. Es gibt nur ein Problem. In vielen Spielen ist es schwierig, 144 Bilder pro Sekunde (oder mehr) zu erreichen, und manchmal ist es schlichtweg unmöglich. Woran liegt das?

Es beginnt mit dem Kerndesign und den Funktionen eines Spiels. Ohne die Konsolen in den Schatten stellen zu wollen (was auch immer, ich stelle die Konsolen in den Schatten), aber wenn mehrere Spieleplattformen der aktuellen Generation nicht mehr als 60 Hz ausgeben können, ist es nur natürlich, dass die Spiele, die auf diesen Plattformen gespielt werden, nicht mehr als 60 fps – oder in manchen Fällen sogar 30 fps – schaffen. Wenn ein Spieleentwickler von dieser Perspektive ausgeht, kann es sehr schwierig sein, dies im Nachhinein zu korrigieren. Wir haben gesehen, wie Spiele wie Fallout 4 die Physik, die Bewegungsgeschwindigkeit und vieles mehr an die Framerate koppeln, oft mit unerwünschten Ergebnissen.

Es geht jedoch nicht nur darum, 30 oder 60 fps zu erreichen. Die Komplexität der Spiele nimmt ständig zu, und Komplexität bedeutet mehr Berechnungen. Singleplayer-Spiele sind in der Regel ein anderes Erlebnis als Multiplayer-Spiele. Letztere sind von Natur aus kompetitiver, was bedeutet, dass höhere fps für die Top-Spieler vorteilhafter sein können, und sie lassen oft eine Reihe von Dingen weg, die die Frametimes erhöhen können.

Denken Sie zum Beispiel an Spiele wie Counter-Strike, Overwatch, PUBG und Fortnite. Es gibt sehr wenig KI oder NPC-Logik, die passieren muss. Der größte Teil der Welt ist statisch und es sind nur die Spieler, die herumlaufen, was viel weniger Overhead und letztlich das Potenzial für höhere Frameraten bedeutet.

Primär Singleplayer-Spiele sind eine andere Sache. Schauen Sie sich die Umgebungen von Assassin’s Creed Odyssey, Monster Hunter World und Hitman 2 an. Es kann Hunderte von Kreaturen, NPCs und anderen Einheiten geben, die verarbeitet werden müssen, jede mit unterschiedlichen Animationen, Sounds und anderen Effekten. Das kann selbst die schnellsten CPUs, auf denen ein Großteil der Verarbeitung stattfindet, ausbremsen.

Ja, die CPU und nicht die GPU. Obwohl die GPU oft als Engpass für die Spieleleistung angesehen wird, geht es vor allem darum, die richtige Auflösung und Grafikqualität zu wählen. Dreht man die Einstellungen und/oder die Auflösung weit genug herunter, wird die CPU zum limitierenden Faktor. Und bei komplexen Spielen kann diese CPU-Grenze leicht unter 144 fps fallen. Während eine schnelle Grafikkarte oft notwendig ist, um 144fps zu erreichen, kann auch eine ebenso schnelle CPU erforderlich sein.

Schauen Sie sich die CPU-Benchmarks in Assassin’s Creed, Monster Hunter und Hitman an. Bei 1080p und niedriger oder mittlerer Qualität gibt es eine hervorragende Skalierung in Bezug auf die CPU-Leistung, aber 144fps sind immer noch eine schwer zu überwindende Hürde. Noch wichtiger ist, dass die Skalierung hauptsächlich von der Taktfrequenz abhängt, während die Anzahl der Kerne und Threads weniger ins Gewicht fällt – vor allem, wenn man sich über 6-Kern-Prozessoren hinaus bewegt. Das liegt daran, dass die meisten Spiele immer noch von einem einzigen Thread beherrscht werden, der einen Großteil der Arbeit erledigt.

Denken Sie die Dinge um und betrachten Sie jedes Bild in Millisekunden. Bei konstanten 60fps hat jedes Bild höchstens 16,7ms Grafik- und Verarbeitungszeit. Bei 144 Bildern pro Sekunde hat jedes Bild nur noch 6,9 ms Zeit, um alles zu erledigen. Aber wie viel Zeit wird tatsächlich für jeden Teil des Renderings eines aktuellen Bildes benötigt? Die Antwort lautet, dass dies unterschiedlich ist, und dies führt zu einer Diskussion über das Amdahlsche Gesetz.

Das Amdahlsche Gesetz besagt, dass es immer Teile des Codes gibt, die nicht parallelisiert werden können. Stellen Sie sich ein hypothetisches Spiel vor, bei dem ein einzelner 4,0-GHz-Intel-Kern 50 ms benötigt, um alle Berechnungen für jedes Bild durchzuführen. Dieses Spiel wäre auf 20 Bilder pro Sekunde begrenzt. Wenn 75 % des Spielcodes in Unteraufgaben aufgeteilt werden können, die gleichzeitig ausgeführt werden, aber 25 % auf einem einzigen Thread ausgeführt werden, dann würde die Leistung im besten Fall auf einer 4,0-GHz-Intel-CPU immer noch bei nur 80 Bildern pro Sekunde liegen, unabhängig davon, wie viele CPU-Kerne verfügbar sind. Ich habe ein paar schnelle und schmutzige Berechnungen mit einer Serviette gemacht, um das zu veranschaulichen:

Eine Überarbeitung des Spielcodes, so dass nur 12,5 Prozent auf einem einzigen Thread ausgeführt werden, vielleicht sogar nur 5 Prozent, kann helfen. Dann sind 160fps oder sogar 400fps möglich, aber das kostet Entwicklerzeit, die besser an anderer Stelle verbracht werden könnte – und natürlich haben CPUs keine unendliche Anzahl von Kernen und Threads. Der Punkt ist, dass nur eine begrenzte Zeit zur Verfügung steht, um alle Benutzereingaben, den Spielstatus, den Netzwerkcode, die Grafik, den Sound, die KI usw. zu verarbeiten, und komplexere Spiele benötigen von Natur aus mehr Zeit.

Selbst mit 4 GHz und schnelleren CPUs, die mit Tausenden von GPU-Kernen zusammenarbeiten, vergehen 6,9 ms schnell, und wenn Sie einen 240-Hz-Bildschirm betrachten, auf dem Spiele mit 240 Bildern pro Sekunde laufen, sind es nur 4,2 ms für jedes Bild. Wenn es auf dem Weg dorthin zu einem Schluckauf kommt – z. B. wenn das Spiel einige Objekte oder Texturen aus dem Speicher laden muss, was zwischen ein paar Millisekunden auf einer schnellen SSD und vielleicht ein paar Dutzend Millisekunden auf einer Festplatte dauern kann – wird das Spiel stark stottern. Das ist die Welt, in der wir leben.

Lassen Sie es uns anders formulieren. Moderne PCs können potentiell Milliarden von Berechnungen pro Sekunde durchführen, aber jede Berechnung ist extrem einfach: A + B zum Beispiel. Eine Logikaktualisierung für eine einzelne Entität könnte Tausende oder Zehntausende von Anweisungen erfordern, und all diese KI- und Entitätsaktualisierungen sind immer noch nur ein kleiner Bruchteil dessen, was pro Frame passieren muss. Spieleentwickler müssen alles ausbalancieren, um ein akzeptables Leistungsniveau zu erreichen, und auf PCs kann das bedeuten, dass alles von einem alten 4-Core Core 2 Quad oder Athlon X4 bis hin zu einer modernen Ryzen- oder 9th Gen Core-CPU und GPUs von der integrierten Intel-Grafik bis hin zur GeForce RTX 2080 Ti laufen kann.

Es ist möglich, Spiele zu entwickeln, die mit extrem hohen Frameraten laufen können. Wir wissen das, weil es sie bereits gibt. Aber diese Spiele sind in der Regel nicht auf dem neuesten Stand der Technik in Bezug auf Grafik, KI und andere Elemente. Sie sind auf manchmal nicht so offensichtliche Weise grundlegend einfacher. Selbst die Reduzierung der Spiel- und Grafikkomplexität kann nur bis zu einem gewissen Grad erfolgen. Ein sieben Jahre altes CS:GO mit 1080p und einem übertakteten Core i7-8700K mit 5 GHz erreicht maximal 300 fps (3,3 ms pro Frame), wobei die minimalen fps durch Ruckler auf etwa die Hälfte sinken. Sie können CS:GO mit 270-300fps auf allem laufen lassen, von einer GTX 1050 bis zu einer Titan RTX, weil die CPU der wichtigste limitierende Faktor ist.

Kurz gesagt, 144fps zu erreichen ist nicht nur eine Frage der Hardware. Es geht um Software und Spieldesign, und manchmal muss man einfach loslassen. Wenn Sie unbedingt mit 144 Bildern pro Sekunde spielen wollen, kann ich Ihnen nur raten, sich daran zu erinnern, dass Frameraten (oder Frametimes, wenn Sie das bevorzugen) nicht alles sind. Für kompetitive Multiplayer-Spiele, bei denen jeder mögliche Latenzvorteil hilfreich sein kann, sollten Sie die Einstellungen auf das Minimum reduzieren und sehen, wie das Spiel läuft, und möglicherweise ein paar Einstellungen erhöhen, wenn es noch Spielraum gibt.

Selbst wenn Sie keine 144fps oder mehr erreichen können, sind 144Hz-Bildwiederholraten immer noch fantastisch – ich kann den Unterschied schon bei der Interaktion mit dem Windows-Desktop spüren. Die hochwertigeren 144-Hz-Displays unterstützen auch G-Sync und FreeSync, was dazu beitragen kann, dass es nicht zu Rucklern und Tearing kommt, wenn die Bildwiederholrate etwas unter 144 fps fällt. Perfekt ruckelfreie Frameraten wären zwar schön, aber das allein macht ein Spiel noch nicht großartig. Also lehnen Sie sich zurück und genießen Sie die Fahrt, unabhängig von Ihrer Hardware oder Framerate.