چرا پی‌سی‌های گیمینگ مدرن از Apple II کندتر هستند؟

کامپیوتر شما چقدر سریع است؟ آیا به اندازه یک کامپیوتر Apple II سریع است؟ بدیهی است که بله، به لطف قدرت پردازشی چند هسته‌ای و چندگیگاهرتزی امروزی که فرکانس کاری ۱.۰۲۳ مگاهرتزی Apple II را در جیب می‌گذارد. و با این همه، از برخی جهات، پی‌سی شما شاید سریع‌تر نباشد. پی‌سی‌های امروزی در قیاس با استانداردهای Apple II که در سال ۱۹۸۳ میلادی عرضه شد، عملاً ابرکامپیوتر به حساب می‌آیند. اما از منظر پاسخ‌دهی خالص، یعنی مدت زمان فشردن یک دکمه روی کیبورد و مشاهده آنچه روی مانیتور ظاهر می‌شود، کامپیوترهای قدیمی‌تر می‌توانند به شکلی غافلگیرکننده‎ سریع‌تر باشند.

دان لو، مهندس کامپیوتر سابق گوگل و مایکروسافت مدتی پیش در وب‌سایت خود نوشت «احساس آزاردهنده‌ای دارم که کامپیوترهایی که امروز از آن‌ها استفاده می‌کنم کُندتر از کامپیوترهایی هستند که در کودکی استفاده می‌کردم». نگران از اینکه تردیدش ممکن است صرفاً یک اشتباه در ادراک بشری باشد، لو شروع به استفاده از دوربینی با سرعت بالا کرد تا تاخیر کامپیوترهای پیراموش را اندازه‎ گیری کند، و به کشفی غافلگیرکننده رسید. کامپیوترهای مدرن واقعاً کندتر هستند.

کامپیوتر Apple IIe او بین فشردن یک دکمه و مشاهده کاراکتری که روی نمایشگر ظاهر می‌شود ۳۰ میلی‌ثانیه تاخیر دارد. تینک‌پد X1 سال ۲۰۱۶ او که ویندوز را به اجرا در می‌آورد و پردازنده Core i7-6500U را در خود جای داده تاخیری ۱۵۰ میلی‌ثانیه‌ای دارد. دو کامپیوتر مدرن دیگر، از جمله یک پی‌سی گیمینگ، عملکردی بهتر از خود به جای گذاشتند اما هم‎چنان تاخیری تا دو برابر بیشتر از Apple IIe داشتند. در مجموع او متوجه شد که هرچه دستگاه جدیدتر باشد، سرعت پاسخ‌گویی کندتری دارد.

به لطف پیشینه مهندسی‌اش، لو دلیل این سرعت پاسخ‌دهی کندتر را درک می‌کند و موضوع اساساً به پیچیدگی‌های کامپیوتر مرتبط است. وقتی او مشغول تست عملکرد Apple IIe بود، چیزی به جز رابط کاربری ترمینال اجرا نمی‌شد؛ به صورت همزمان به وب متصل نبود، فونت‌های TrueType را رندر نمی‌کرد، نرم‌افزار آنتی‌ویروس را به اجرا در نمی‌آورد و اساساً مشغول به کارهای رایجی نبود که پی‌سی‌های مدرن مجبور به انجام‌شان هستند: کارهایی مثل پخش موسیقی، آپلود فایل‌ها روی دراپ‎ باکس، دانلود به‌روزرسانی‌های ویندوز، اجرای نرم‌افزارهای پیام‌رسان و استیم.

اما این سوال که چرا تاخیر اینپوت (درون‌دادهای کامپیوتری) یکی از تلفات‎ ساخت کامپیوترهایی قدرتمند و در دسترس بوده، سوالی شگفت‌انگیز است. بعد از تست‌های ابتدایی، لو درگیر این پرسش شد. او مجموعه‌ای از کیبوردهای مختلف را برای سنجش تاخیر تست کرد و به گستره وسیعی از مدت زمان‌های پاسخ‌دهی رسید. مشخص شد که کیبوردهای ساده و قابل اعتماد امروزی ما، مهم‌ترین سوژه بررسی این موضوع هستند که چرا پی‌سی‌های مدرن سرعت پاسخ‌دهی کندتری نسبت به کامپیوترهایی دارند که تقریباً ۴۰ سال پیش ساخته شدند.

لو در وب‌سایت خود می‌نویسد: «کیبوردها معمولاً قدرتمندتر از تمام کامپیوترهای متعلق به دهه ۷۰ و ۸۰ هستند. و با این‎حال، کیبوردهای میان‌رده امروزی به اندازه خط لوله سرتاسر یک دستگاه سریع در دهه ۷۰، تاخیر ایجاد می‌کنند».

در بالاترین رده تست لو، مجیک کیبورد اپل (با اتصال از طریق USB) بود که تاخیری ۱۵ میلی‌ثانیه‌ای دارد. در پایین‌ترین رده نیز کیبورد وایرلس لاجیتک K360 متعلق به سال ۲۰۱۲ وجود داشت که با تاخیر ۶۰ میلی‌ثانیه‌ای عمل می‎کند. «اکثر کیبوردها آنقدر تاخیر ایجاد می‌کنند که تجربه کاربری به شکل قابل توجهی بدتر شود، و کیبوردهایی که در تبلیغات‌شان به به سرعت بالاتر اشاره دارند لزوماً سریع‌تر نیستند». دو کیبورد دیگری که لو تست کرد، برای بازار گیمینگ تبلیغ می‌شدند؛ کیبورد ریزر Ornata Chroma با تاخیر ۳۵ میلی‌ثانیه‌ای و کیبورد Easterntimes i500 با تاخیر ۵۰ میلی‌ثانیه‌ای.

همه این‌ها برای پی‌سی گیمرهای امروزی چه معنایی دارد؟ آیا نشان‌دهنده یک بحرانند؟ از کیبوردها و ماوس‌هایمان باید چه انتظاراتی داشته باشیم؟ زیر آن قاب‌های پلاستیکی (و فلزی) چه خبر است؟ به عنوان پاسخ باید گفت که خب، موضوع اندکی پیچیده است.

دلایل تاخیر کیبورد

هنگامی که دکمه‌ای را روی کیبورد می‏‏‌فشارید، اتفاقات زیادی می‌افتد. پروسه ابتدایی روی کیبوردی با احساس نرم مانند کیبوردهای لپ‌تاپ یا نمونه‌های مکانیکی یکسان است. وقتی دکمه‌ها فشرده می‌شوند و اتصال الکتریکی برقرار می‌گردد، یک سیگنال راه خودش را به مایکروپردازنده‌ای داخل کیبورد باز می‎کند و آن مایکروپردازنده سپس پیامی برای کنترلر USB در کامپیوتر شما می‌فرستد.

در این مرحله، پیام توسط ویندوز دریافت شده و مجدداً به بازی یا اپلیکیشنی که اجرا کرده‌اید فرستاده می‌شود. بعد از این‌ها، تصویری که بازتاب‌دهنده تغییرات به وجود آمده از سوی شماست رندر می‌شود و با ارسال به نمایشگر، به نقاطی از نور تبدیل می‌گردد. هریک از این اتفاقات تاخیری اندک به وجود می‌آورد و به همین خاطر، اجتناب از بروز تاخیر غیرممکن است.

همه ما به نوعی تاخیر را احساس می‌کنیم، اما احتمالاً کمتر از آن‎چه ممکن است فکر کنید به آن حساسیت نشان می‌دهیم. در کتاب Usability Engineering سال ۱۹۹۳ که به تعیین اهدافی که کامپیوترها باید به آن‌ها دست پیدا می‎کردند کمک شایانی کرده، جیکوب نیِلسن، مشاوری در زمینه استفاده‌پذیری و رابط کاربری می‎گوید تاخیر «۰.۱ ثانیه‌ای، بالاترین مقدار تاخیر است که به کاربر این احساس را نمی‌دهد که سیستم به شکلی ناهماهنگ به درون‎دادهای او پاسخ می‌دهد».

با این همه، براساس پژوهشی که در مرکز تحقیقاتی اِیمس ناسا انجام شده، حتی با تاخیری به ناچیزی ۱۶ میلی‌ثانیه، ما همچنان قادر به تشخیص نوسانات هستیم. و یک تحقیق دیگر در زمینه تاخیر ماوس نشان داد که با تاخیر بالاتر از ۸۳ میلی‌ثانیه، مردم اشتباهات بیشتری در هدف‌گیری دقیق انجام می‌دهند. بنابراین از منظر سهولت کار و دقت، تاخیر اهمیت زیادی دارد.

برای توسعه‌ دهندگان بازی، این یک حقیقت در زندگی است. و برای توسعه‎ دهندگانی مانند حافظ ازمان از استودیوی 7th Beat Games، این موضوع حیاتی است. ازمان بازی Rhythm Doctor را ساخته که یک بازی تک دکمه‌ای و ریتمیک است و او مجبور بوده تاوان مشکلات تاخیر را در سراسر دیزاین آن بپردازد. «ریتم داکتر حاشیه خطا بسیار ناچیزی دارد، مثبت یا منفی ۰.۰۷ ثانیه [معادل ۷۰ میلی‌ثانیه]». او ادامه می‌دهد: «بنابراین مثل اکثر بازی‌های ریتمی، نیاز به ابزارهای کالیبراسیون داریم که درون‌دادهای شما را به درستی جبران می‌کنند، در غیر این صورت باید دکمه را پیش از هر بیت فشار دهید تا درون‌داد شما به درستی و همزمان با بیت تشخیص داده شود».

آزمان روی رویکردهای مختلفی که بازی‌های ریتمی در قبال تاخیر در پیش گرفته‌اند تحقیق کرده؛ بازی‌هایی مانند گیتار هیرو و Rhythm Heaven نینتندو برای کنسول DS. بازی Rhythm Heaven رویکردی ساده دارد: در صورتی که دکمه را در حاشیه خطا قابل پذیرش بفشارید، صدای «زمان‏‌بندی صحیح» را خواهید شنید.

در گیتار هیرو اما از طرف دیگر اگر نُت‎ها را به درستی بنوازید و سپس از عمد یک نت را از دست بدهید، همچنان مضراب ابتدایی آن نت را در زمان درست می‌شنوید، اما یک لحظه بعد نت قطع می‌شود و صدای «نت اشتباه» به گوش می‌رسد. این تفاوت رویکرد به آن خاطر است که استودیوی هارمونیکس باید مطمئن می‌شده گیتار هیرو روی گستره وسیعی از تلویزیون‌ها و سیستم‌های صوتی قابل بازی است؛ سیستم‌هایی که هرکدام تاخیر خاص خود را دارند. در این بین اما نینتندو دقیقاً از تاخیرهای سخت‌افزاری DS باخبر بوده است.

Rhythm Doctor عمدتاً از رویکرد گیتار هیرو استفاده می‌کند. آزمان می‌گوید: «ویندوز تاخیر صوتی بزرگی دارد» اما در برخی مراحل، بازی یک صدای «تایید برخورد» را درست یک نبض بعد از بعضی نُت‎ها پخش می‌کند تا تاخیر خنثی شود. «این صدا همچنان هم‌گام با موزیک است زیرا در ریتمی آرام اتفاق می‌افتد، و یک نوع حس پاداش به بازیکن می‌دهد».

تاخیر درون‌داد برای لول دیزاین از پیش تعیین شده، مانند آنچه در Rhythm Doctor استفاده شده مشکل چندان بزرگی نیست؛ زیرا آزمان می‌تواند درون‌دادها را خنثی کند. در بازی‌هایی که اکشن به صورت پویا اتفاق می‌افتد، مانند بازی‌های اول‌شخص این مشکل بیشتر به چشم می‌آید. با این همه، برنامه‌نویس 7th Beat Games، جیاکومو پرسیادو ابزاری ساخته که با آن می‌توانید طیف تاخیر اینپوت را خودتان تجربه کنید. با دکمه اسپیس بازی را شروع کنید و بپرید و با دکمه‌های راست و چپ تاخیر حرکات را تغییر دهید.

دلایل بروز تاخیر اینپوت با اطلاعات غلط و اشتباهات رایج درهم‌آمیخته است. شاید تا به حال درباره مسائلی مثل نرخ‌های سرشماری، دیبانسینگ و نرخ‌های پویش شنیده باشید. همه این‌ها تاخیر را تحت تاثیر قرار می‎دهند، اما معمولاً نه به آن شیوه ساده‌ای که عموم مردم تصور می‌کنند، و بزرگ‌ترین دلایل بروز تاخیر معمولاً چیزی کاملاً متفاوت هستند.

در یک کیبورد، نخستین تاخیر از سوییچ‌های الکتریکی ایجاد می‌شود. وقتی ارتباط برقرار می‌شود، بازه‌ای وجود دارد که در جریان آن، سیگنال الکتریکی پیش از به ثبات رسیدن، دچار نوسان می‌شود. به همین خاطر، کیبورد باید تا زمان اطمینان از ثبات سیگنال صبر کند. این پروسه دیبانسینگ نامیده می‌شود و معمولاً تاخیری ۵ الی ۲۰ میلی‌ثانیه‌ای بعد از فشردن دکمه به وجود می‌آورد. «هرکسی از الگوریتم‌های مختلف استفاده می‌کند، برخی از آن‌ها مشابه یکدیگرند و هرکدام سرعت متفاوتی دارند». کریس پیت، مدیر ارشد محصولات در واحد گیمینگ شرکت لاجیتک ادامه می‌دهد: «این یکی از کارهایی است که باید انجام دهید تا مطمئن شوید ریزپردازنده موجود در دستگاه، اطلاعات صحیح را ارسال می‌کند».

به بیان دیگر، دیبانسیگ مهم است و در حالی که می‌توانید تاخیر را کاهش دهید، چنین کاری معمولاً به نوعی مصالحه منجر می‎شود: «شما باید اینپوت‌های اشتباه را در برابر سرعت بالانس کنید، بنابراین ما اساساً تا جایی که امکان‌پذیر است سرعت را افزایش می‌دهیم، بدون اینکه کاربران با ریسک اطلاعات اشتباه روبه‌رو شوند».

متیو اسپینلی، طراح کیبوردی که پروژه WhiteFox را در کارنامه خود دارد می‌گوید هر نوع از سوییچ کیبورد، مدت‌زمان دیبانس اندک متفاوتی نسبت به سایرین دارد. در سوییچ‌های Cherry MX تاخیر ۵ میلی‌ثانیه است که رقمی معقول برای یک سخت‌افزار گیمینگ به حساب می‌آید، در همین حال تکنولوژی RealKey شرکت Cherry به تاخیر ۱ میلی‌ثانیه‌ای دست می‌یابد.

بعد از دیبانسینگ، تاخیر بعدی از مدت زمان پویش در کیبورد ناشی می‌شود: نرخی که فهرست وضعیت هر دکمه براساس آن به‌روزرسانی می‌شود. مدت زمان پویش معمولاً سریع‌تر از سرعت دیبانسینگ نیست و اگر دکمه‌ای را درست بعد از آغاز پویش فشار دهید، کیبورد قادر به تشخیصش نیست؛ تا زمانی که که پویش بعدی آغاز شود که برای کیبوردی با مدت زمان دیبانس ۵ میلی‎‌ثانیه‌ای، می‌تواند به معنای یک تاخیر ۱۰ میلی‌ثانیه‌ی دیگر هم باشد.

لو به نکته‌ای جالب اشاره کرده و می‌گوید که نرخ پویش کیبورد Apple II به مراتب سریع‌تر است -۵۰ کیلوهرتز در برابر ۵۰۰ هرتزی که یک دیبانس ۵ میلی‌ثانیه‌ای در تئوری به آن دست می‏‌یابد- بنابراین فشرده شدن دکمه‌های جدید را به صورت مایکروثانیه‌ای، و نه میلی‌ثانیه‌ای، شناسایی می‎کند.

و بعد نرخ سرشماری را داریم که عبارتی رایج برای تشخیص اینست که یک دیوایس با چه سرعتی به یک اینپوت پاسخ می‌دهد. اما در حقیقت نرخ سرشماری درباره سرعتی است که کنترلر USB بررسی می‌کند کیبورد یا ماوس اتفاق جدیدی برای گزارش کردن دارند یا خیر. و اساساً فقط باید یک سرعت وجود داشته باشد: ۱۰۰۰ هرتز. اسپینلی می‌گوید: «هرچیز دیگری که روی جعبه یک کیبورد می‌خوانید عمدتاً دوز و کلک است.»

۱۰۰۰ هرتز بالاترین سرعت USB است؛ رقمی که استانداردی چندان تازه نیست و ریشه‌اش به آگوست ۱۹۹۸ و زمانی که USB 1.1 عرضه شد بازمی‌گردد. این یعنی کنترلر USB در هر ۱ میلی‌ثانیه بررسی می‌کند که تغییری در کیبورد یا ماوس به وجود آمده یا خیر. «به صورت واقع‌گرایانه، از آن زمان هیچ نیازی به بهبود اطلاعات و نرخ گزارش توانایی‎های HID [یا دیوایس رابط کاربری انسانی] نبوده». پیت ادامه می‌دهد: «می‌توانید این سرعت را فقط به خاطر تجربی بودنش افزایش دهید و بهبودی حاصل نمی‌شود. برخی از مردم با نیتروژن مایع اوورکلاک می‌کنند چون سرگرم‌کننده است، و هدف مشاهده اینست که چقدر زمان می‌برد تا سیستم عامل کرش کند. نرخ سرشماری ۱ میلی‌ثانیه‌ای کاملاً درک شده، جا افتاده و امتحانش را پس داده.»

تا به اینجا صحبت درباره USB بود، اما کیبورد شما با استفاده از رابط قدیمی‌تر PS/2 که به صورت آنی سیگنال را به کامپیوتر هاست می‌فرستد، می‌تواند سریع‌تر شود. اما همان‌طور که پیت می‌گوید، در این حالت باید از آسودگی کار با USB بگذرید که قدرت بیشتری دارد، اطلاعات را دوطرفه ارسال می‌کند و در هر جایی قابل دسترسی است.

«PS/2 به دلایلی یک جامعه مشتاق دارد که البته برای اکثر مصرف‌کنندگان مهم نیست». پیت ادامه می‌دهد: «خوشحالم که خوشحالند و دلایلی کاملاً منطقی دارند، اما این دلایل برای اکثر مردم کاملاً بی‌معنی هستند».

و گذشته از تمام این‌ها، برخی از بزرگ‌ترین تاخیرها در کیبورد می‌توانند خیلی ساده به خاطر عمل مکانیکی فشردن یک دکمه باشند. کیبوردهای مکانیکی احساس واکنش‌پذیری بیشتری دارند چون شما نقطه تحریک را احساس می‌کنید و مجبور به فشردن دکمه برای مدت زیادی نیستنید. «برای پیمایش مسیر ۴ میلی‌متری روی هر دو دکمه،‌ سوییچ مکانیکی معمولاً روی ۲ میلی‌متر فعال می‌شود درحالی در سایر کیبوردها باید تمام ۴ میلی‌متر را تا انتها فشار دهید.» پیت ادامه می‌دهد: «مدت زمان لازم برای آن ۲ میلی‌متر به مراتب بیشتر از چیزیست که تفاوت پردازشی می‌تواند باشد.»

کیبورد فقط آغاز کار است

به محض اینکه سیگنال از کیبورد خارج می‌شود، وارد قلمروی نرم‌افزار می‌شویم که پیچیدگی بیشتری دارد. «شما قطعا می‌توانید کد فرمور را بهینه کنید که تا حد امکان به محدودیت سخت‌افزاری نزدیک شود». این‌ها سخنان اسپینلی بود، اما به زعم او چنین کاری برای یک گیمر معمولی غیرعملی است، چون بهینه‌سازی فرمور تا حد زیادی به دستگاه خاص او بستگی دارد. امکان بهبود در فرمور تولیدکنندگان هم وجود دارد که مشکل را برای همه حل می‌کند، اما نیازمند مهندسینی است که در کار خود جادوگر باشند.

یا اینکه می‌توانید یک کیبورد شخصی‌سازی شده بخرید که اسپینلی آن را گزینه‌ای اجتناب‌ناپذیر تلقی می‌کند. گزینه‌های رایج در بازار احتمالاً به قطعاتی مانند مانند نورهای LED مجهز شده باشند اما در وظیفه نهایی کیبورد اختلال ایجاد می‌کنند. «چطور می‌خواهید تشخیص دهید که ریزر یا کولر مستر یا کورسیر [با کیبوردهایشان] چه می‌کنند؟ ریسک نکنید. ساده‌ترین کیبوردی که پیدا می‌شود را بخرید. از خبر بک‌لایت‌ها و نمایشگرها و داک‌های موبایل بگذرید».

به نظر اسپینلی، سخت‌افزارهایی که بر مبنای نرم‌افزاری متن‌باز ساخته شده‌اند بهترین انتخاب هستند. یعنی پروژه‌هایی مانند WhiteFox خود او که از رشته‌های مجزا برای بک‌لایت استفاده می‌کند و تداخلی در زمان پاسخ‌دهی کیبورد به وجود نمی‌آورد.

پیت نظر متفاوتی دارد. او می‌گوید فرمور نقشی مهم در اتکاپذیری کیبورد یا ماوس ایفا می‌کند و محصولات شرکت او به گونه‌ای ساخته شده‌اند که از این نظر قابل شخصی‌سازی باشند. اما او هم عقیده دارد که قابلیت‌هایی مانند نورهای داخلی می‌توانند مدت پاسخ‌دهی را به شکلی چشمگیر کاهش دهند.

«محصولاتی در بازار هستند که جزو ساخته‌های لاجیتک نیستند و اگر افکت‌های نوری را به آن‌ها اضافه کنید بسیار کندتر عمل می‌کنند. بنابراین طراحی صحیح مهم است. اگر دیوایسی برای دریافت بیشترین کارایی جمع می‌کنید، باید به همین هدف پایبند باشید و به سراغ چیزهایی نروید که آن‌ را تحت تاثیر قرار می‌دهند.»

کیبورد شما صرفاً نقطه آغازی برای مجموعه‌ای از اتفاقات است که دکمه‌ای که فشرده‌اید را روی صفحه ظاهر می‌کنند و تاخیر ناشی از کیبورد احتمالا طولانی‌ترین تاخیر در این زنجیره نباشد. ویندوز و بازی‌های ویدیویی خود مقداری تاخیر به وجود می‌آورند و اگر در حال تجربه بازی با نرخ ۶۰ فریم باشید، همان نرخ به‌روزرسانی هم ۱۷ میلی‌ثانیه بر فریم تاخیر به وجود می‌آورد؛ بعد هم زمان پردازش داخلی نمایشگر شما را داریم... بعد از چندین دهه پیشرفت، پیچیدگی هرچه بیشتر باعث شده کامپیوترهای ما به همان اندازه که سریع شده‌اند، کند شده باشند.

اندکی عجیب است که یک کامپیوتر مدرن با سرعتی معادل ۴ هزار برابر بیشتر از Apple II و پردازنده‌ای که ۵۰۰ هزار برابر ترانزیستور بیشتر دارد (و همینطور پردازشگری گرافیکی که ۲ میلیون برابر ترانزیستور دارد) احتمالا در یک اپلیکیشن شدیداً کدنویسی شده و روی مانیتوری که نرخ به‌روزرسانی‌اش سه برابر شده، قادر به ارائه همان میزان تاخیری باشد که Apple II بود.

اما یک کورسوی امید وجود دارد: برخی از سخت‌افزارهای و نرم‌افزارهای در حال کاهش این ارقام تاخیر هستند، هرچند که بسیاری از محصولات «گیمینگ» هنوز به اندازه کیبوردها و مانیتورهای دهه ۱۹۷۰ سریع نیستند. نکته خنده‌دار اینکه حتی نزدیک شدن به ارقام Apple II، نیازمند پیچیدگی‌های بسیار بوده.