Tìm hiểu FreeSync & G-Sync

(PCWorldVN) Cả AMD và NVIDIA đều đưa ra công nghệ giúp hình ảnh hiển thị trên màn hình đẹp và mượt hơn. Tại sao chúng ta lại cần những công nghệ này và chúng hoạt động ra sao?

• Card đồ họa - Sức mới cho game
• nVIDIA GeForce và AMD Radeon: Cuộc chiến trên mọi mức giá
• AOC 2460PG màn hình hỗ trợ nVidia G-Sync dành cho game thủ
• Đánh giá màn hình siêu rộng Crossover 290M IPS LED
• Đánh giá màn hình cong Dell UltraSharp U3415W

Thực tế, mỗi màn hình hiện này đều chạy ở một tần số quét (còn gọi là tần số làm tươi, refresh rate) cố định, cụ thể là 60Hz. Tuy nhiên, tấm panel màn hình LCD không cần đến tần số quét cố định thì mới hoạt động được. Đơn giản vì chuẩn này kế thừa từ thời những chiếc TV dùng ống đèn chân không (tube) và màn hình CRT.

Đối với game thủ, tần số quét cố định là một vấn đề vì tấm panel cập nhật hình ảnh ở những khoảng thời gian cố định (interval), còn bộ xử lí đồ họa (GPU) lại có thời gian dựng khung hình rất khác nhau, có lúc lâu, lúc mau tuỳ theo chất lượng hình ảnh. Kết quả là hình ảnh cho mỗi khung hình phải thay đổi liên tục. Nếu một khung hình có tần số quét trung bình thì bạn sẽ thấy hình ảnh bị răng cưa, đó là hậu quả của màn hình hiển thị một phần của khung hình cũ và một phần của khung hình mới. Răng cưa là ví dụ rõ ràng nhất khi gặp những khung hình chuyển động nhanh, và điều này khiến game thủ khó chịu.

Tuy nhiên, Vsync (vertical sync) giải quyết được vấn đề này bằng cách đồng bộ GPU với tần số quét của màn hình, ép màn hình phải chờ cho tới khi bắt đầu chu trình làm tươi kế tiếp, mà thuật ngữ kỹ thuật gọi là khoảng VBLANK (vertical blanking). Vsync đảm bảo chỉ hiển thị khung hình trọn vẹn, loại bỏ tình trạng răng cưa.

Tuy vậy, Vsync lại gây ra vấn đề khác. Nếu GPU mất thời gian quá lâu để dựng 1 khung hình thì GPU lại bỏ lỡ chu trình làm tươi, nên màn hình đơn giản chỉ việc lặp lại khung hình cũ, kết quả là hình ảnh bị giật và trễ. Thậm chí nếu GPU dựng hình đủ nhanh thì Vsync vẫn gặp vấn đề lag đầu vào, vì nó sẽ giữ khung hình lại cho đến khi hết chu trình làm tươi, nghĩa là bạn sẽ không thể xem được những thông tin mới nhất sớm nhất được.

Những panel có tần số quét cao hơn (như ở 144Hz) giúp giải quyết vấn đề này, vì thời gian chờ càng ngắn giữa các chu trình quét hình có nghĩa là mắt chúng ta khó nhận diện răng cưa, lag đầu vào và giật hình hơn. Tuy nhiên, máy tính cần chạy được ở tỉ lệ khung hình rất cao để tận dụng hết được ích lợi của màn hình có tần số quét cao như vậy. Nhưng điều đáng nói là chúng ta chỉ mới hạn chế được vấn đề, chứ không giải quyết trọn vẹn được vấn đề hình ảnh trên.

May mắn là công nghệ VRR (variable refresh rate), như FreeSync và G-Sync, trực tiếp giải quyết những lỗi về tần số quét cố định, bằng cách cho GPU trở thành nguồn xử lý chính, GPU đồng bộ và đưa ra tỉ lệ quét khác nhau để hợp với tỉ lệ dựng hình.

Demo Pendulum của NVIDIA về công nghệ Vsync và G-Sync, cho thấy sự khác biệt giữa bật/tắt Vsync và khả năng xử lý giữa Vsync/G-Sync.

G-Sync hoạt động thế nào?

G-Sync dùng một module do NVIDIA phát triển, thay thế bộ chia tỉ lệ (scaler) của màn hình, mặc dù G-Sync không có phần cứng chia tỉ lệ thực sự, mà chuyển nhiệm vụ này cho GPU. Kết quả là màn hình G-Sync thường chỉ có 1 ngõ nhập Display Port 1.2 mà không có âm thanh và giảm những tính năng xử lý màu sắc. Những ngõ nhập và tính năng khác có thể bổ sung nhưng phải sử dụng một bộ scaler phụ (điều này tăng thêm chi phí sản xuất màn hình).

G-Sync thay thế VBLANK của panel màn hình. Nếu một khung hình dựng lâu hơn thời gian dự kiến thì chu trình làm tươi được nới ra lâu hơn, đủ cho đến khi khung hình mới được dựng xong. Ngược lại, nếu khung hình được dựng nhanh hơn thì G-Sync sẽ rút ngắn lại khoảng thời gian làm tươi. Kết quả là không còn khung hình bị răng cưa nữa, không còn hiện khung hình cũ lặp lại và tín hiệu đầu vào do người dùng nhập sẽ được chuyển dịch trực tiếp trên màn hình ngay lập tức.

Dĩ nhiên, G-Sync vẫn còn gặp vài hạn chế do đặc tính của panel. Mọi màn hình đều có tần số làm tươi tối đa, và nếu hệ thống dựng hình nhanh hơn tần số này thì G-Sync sẽ chuyển sang hoạt động như Vsync thông thường nên bạn vẫn tránh được tình trạng răng cưa.

Điều thú vị nằm ở giới hạn tối thiểu của tần số làm tươi. Panel LCD buộc phải có số lần làm tươi tối thiểu mỗi giây để chống hiện tượng giật, nhấp nháy màn hình, cụ thể là vào khoảng 30Hz, và VBLANK hoàn toàn không thể kéo dài khoảng làm tươi đến được mức này. Tuy vậy, nếu tần số khung hình rớt xuống dưới 30 khung hình/giây (fps) thì G-Sync vẫn giữ cho màn hình hiển thị mượt.

Một module G-Sync có bộ nhớ DDR3 768MB, nghĩa là công nghệ này sử dụng bộ nhớ nhằm duy trì được vài khung hình cũ để ước tính được khoảng thời gian cần thiết cho dựng khung hình tiếp theo. Nếu khoảng thời gian này vượt quá thời lượng tối đa làm tươi cho phép của panel thì G-Sync sẽ chuyển sang tần số làm tươi khác lâu hơn, khớp với tần số dựng hình mới. Ví dụ, ở 28fps, G-Sync có thể chuyển sang 56Hz. Tình huống này sẽ khiến khung hình cũ được đệm, đưa lại lên màn hình trong thời gian rất ngắn trước khi khung hình mới dựng xong, rất khó nhận biết.

Và khi G-Sync thay thế bộ scaler của panel thì nó cũng xử lý luôn hiện tượng bóng ma thường gặp khi hệ thống sử dụng bộ nhớ chính (không phải bộ nhớ đồ hoạ) để dựng hình. Trong G-Sync có tính năng Variable Overdrive, là module "tiền xử lý" khi một khung hình được dự đoán là sẽ tới sớm hơn, ngược lại với hiện tượng lag, khung hình xử lý chậm. Module này cũng có thể chỉnh cho hợp với từng loại panel.

Nhiều phần cứng NVIDIA hỗ trợ G-Sync, mọi GPU từ dòng GTX 650 Ti Boost trở lên đều hỗ trợ công nghệ này, trong đó có cả cấu hình SLI. Chú ý là card nhân Kepler và Maxwell (thế hệ đầu tiên) có độ trễ nhiều hơn 1 chút khi sử dụng G-Sync (1-3%) chúng phải làm thêm thao tác chèn module Variable Overdrive sau khi dựng một khung hình để xem liệu màn hình có kịp hiển thị hay chưa. Đến thế hệ Maxwell thứ 2 (dòng GTX 900 series), độ trễ này đã được loại bỏ.

Bảng thông số so sánh AMD đưa ra hồi đầu năm nay về FreeSync, so sánh (ám chỉ) trực tiếp với NVIDIA G-Sync.

Bạn sẽ găp ngay hiện tượng răng cưa, xé hình (tearing) ở một màn hình có tần số quét cố định và GPU thiết lập ở tần số quét cố định.

FreeSync hoạt động thế nào?

Mục tiêu của FreeSync cũng giống như G-Sync nhưng lại không sử dụng module bản quyền riêng mà dựa trên các chuẩn công nghiệp nguồn mở. Năm 2014, AMD hợp tác với Hiệp hội chuẩn màn hình quốc tế VESA (Video Electronics Standards Association) để thêm một thành phần tuỳ chọn vào đặc tả chuẩn DisplayPort 1.2 gọi là Adaptive-Sync. Thành phần này hoạt động tương tự như G-Sync, mở rộng khoảng thời gian VBLANK của màn hình, và tự động rút ngắn VBLANK ngay khi GPU dựng xong một khung hình.

Trong khi FreeSync cần nhà sản xuất nâng cấp thiết kế màn hình của họ thì cả AMD và VESA đều không nhận được "đồng bạc" nào của các nhà sản xuất hỗ trợ DisplayPort Adaptive-Sync. Về mặt sản xuất, rất dễ để chèn thêm module Adaptive-Sync vào thiết kế màn hình hiện thời vì nhà sản xuất không phải thay thế hay đánh đổi tính năng nào khác, vẫn giữ được các ngõ nhập, giữ giao diện màn hình OSD (on-screen display) và các tính năng xử lý hình ảnh của màn hình. Tuy vậy, khác với G-Sync là FreeSync chưa có module tương tự như Overdrive để dự đoán khung hình cần xử lý trước nhằm tiết kiệm thời gian như của NVIDIA.

Cho dù đặc tả kỹ thuật của FreeSync hỗ trợ dải tần số quét từ 9-240Hz nhưng FreeSync cũng có những hạn chế giống với G-Sync, nghĩa là panel chỉ đạt mức tần số quét tối đa ở 144Hz. Dù vậy, cách xử lý "mức trần" này của cả hai hơi khác nhau, vì người dùng có thể chọn lựa bật hoặc tắt Vsync trong FreeSync. Còn ở tần số quét "sàn", FreeSync thực tế chỉ làm việc tốt ở 40Hz. Điều khó chịu là FreeSync không rạch ròi trong trường hợp đồng bộ nếu card dựng hình thấp hơn tần số quét hỗ trợ. AMD cho biết FreeSync có thể chỉnh xuống tần số dựng hình thấp cho từng loại màn hình để phù hợp với kết hợp scaler/LCD nào đó.

Thực tế cho thấy khi tỉ lệ khung hình thấp dưới mức tối thiểu (như ở 40Hz) thì không chỉ FreeSync và hình ảnh cũng không còn giữ được mượt mà nữa, và panel màn hình bị đứng hình ở tỉ lệ này. Hình ảnh chỉ hiển thị trở lại khi tỉ lệ dần dần tăng cao hơn. Về cơ bản, màn hình chờ cho đến khi thời gian trôi qua khoảng VBLANK tối đa thì panel buộc phải lặp lại khung hình cũ. Kết quả là hình ảnh bị răng cưa (nếu tắt Vsync) hoặc bị giật/lag (nếu bật Vsync), vì thời gian chờ giữa các khung hình quá lâu. Do đó, một panel màn hình có tần số quét cố định (như chuẩn 60Hz) sẽ cho chất lượng hình ảnh mượt mà hơn màn hình có tần số quét theo dải.

Hiện thời, AMD chỉ có một số dòng GPU có hỗ trợ FreeSync: R9 290 series, R9 285, R7260 và R7 260X, cũng như vài dòng AMD APU hồi năm 2014: Kaveri A-series, Temash và Kabini. Đáng buồn là cấu hình CrossFire chưa hỗ trợ FreeSync.

Tại CES 2015 hồi đầu năm, Asus đã trưng bày màn hình chơi game ROG Swift PG27AQ có panel IPS 4K và hỗ trợ G-Sync. Tương lai của tần số quét Máy tính xách tay G-Sync và màn hình 4K có tần số quét động dần xuất hiện nhiều trên thị trường. Trong tháng 7 vừa qua, cả AMD lẫn NVIDIA đều tổ chức những sự kiện hướng đến game thủ máy tính tại TP.HCM. Điểm chung là cả hai đều giới thiệu FreeSync (AMD) và G-Sync (NVIDIA), là hai công nghệ về tần số quét động (VRR – variable refresh rate). Điểm đáng chú ý là cả AMD và NVIDIA đều lôi theo một loạt hãng sản xuất màn hình vào với công nghệ của họ. Acer, Asus có màn hình G-Sync, có cả màn hình 4K cong, khổ rộng. Còn FreeSync lại có đến khoảng 20 mẫu màn hình đang nằm trên kế hoạch xuất hiện trong năm 2015. Tiếp đến, NVIDIA cũng cho biết sẽ cho người dùng chọn lựa bật và tắt Vsync nếu màn hình có hỗ trợ G-Sync, tương tự như tính năng của FreeSync hiện nay. G-Sync cũng sẽ hoạt động được ở chế độ khung cửa sổ, mà trước nay NVIDIA chỉ hỗ trợ được G-Sync ở chế độ toàn màn hình. Với AMD, FreeSync vẫn chưa hỗ trợ được chế độ cửa sổ. Đây có thể xem là một lợi thế nhỏ cho NVIDIA nhờ vào module G-Sync tách riêng giúp NVIDIA dễ điều khiển G-Sync hơn. Nhưng tuyệt vời hơn cả là sắp đến sẽ có máy tính xách tay chơi game hỗ trợ G-Sync. Thị trường laptop hiện nay đang “vào mùa” của tần số quét động, vì thậm chí laptop có cấu hình mạnh vẫn còn chật vật với mức tần số quét cố định 60 khung hình/giây, do vậy chúng luôn gặp tình trạng xé hình và giật hình. Điều thú vị là NVIDIA đã xử lý được vấn đề này mà không cần phải gắn “cứng” module G-Sync lên panel màn hình, ít nhất là khi dùng chung với đúng dòng GPU có hỗ trợ. Hiện đã có vài laptop 17,3 inch và 15,6 inch của Gigabyte, MSI, Asus và Clevo đều có tần số quét tối đa ở 75Hz. NVIDIA chưa công bố thông số kỹ thuật của công nghệ G-Sync Direct nên vẫn chưa rõ liệu công nghệ mới này sẽ hoạt động như thế nào, nhưng chắc một điều rằng tần số quét luôn được đồng bộ giữa màn hình và GPU, thậm chí ngay cả khi thời gian dựng khung hình thấp hơn cả tần số quét tối thiểu của màn hình. AMD thừa nhận hiện có vài cơ hội rất rõ ràng dành cho FreeSync trên thị trường laptop. Dù chậm chân tiến vào thị trường này hơn so với NVIDIA nhưng AMD cũng đã có sản phẩm demo, nhưng cho đến nay công ty lại chưa có công bố thông tin gì về hướng phát triển laptop FreeSync. Ngoài ra, AMD cũng không nói rõ cụ thể FreeSync có hỗ trợ cấu hình CrossFire hay không, nếu có thì khi nào. FreeSync hay G-Sync, dù cho công nghệ nào có giành thắng lợi đi nữa thì bên được lợi nhiều nhất vẫn là người chơi game, và chúng ta chỉ muốn một công nghệ duy nhất mà thôi. Nếu bạn là game thủ thì đợt nâng cấp màn hình chơi game tiếp theo, hãy theo dõi bước phát triển của cả hai công nghệ này. Tóm lại, FreeSync nhìn qua rõ ràng là một chuẩn đơn hấp dẫn, vì nó miễn phí, không đòi hỏi phần cứng đặc thù nào cả. Tuy vậy, NVIDIA đầu tư nhiều cho G-Sync, nên thế mạnh rõ ràng ở chỗ điều khiển được phần cứng này tốt hơn, chặt chẽ hơn. Những vấn đề của FreeSync nằm ở tần số quét thấp, còn G-Sync có những mặt nổi trội khiến game thủ khó cưỡng lại công nghệ này.

PC World VN, 08/2015