WHITE	  PAPER	
  |	  VESA	  DISPLAYPORT	  ADAPTIVE-­‐SYNC	  Written	  by	  Syed	  Athar	  Hussain,	  Display	  Domain	  Architect,	  AMD	  and	  Shane	  Parfitt,	  Technology	  Manager	  Display	  Domain,	  AMD	  	  	  	  	  	  INTRODUCTION	  	  For	  many	  years,	  the	  display	  industry	  has	  operated	  with	  the	  ubiquitous	  understanding	  that	  displays	  run	  at	  a	  fixed	  refresh	  rate	  (eg.	  60	  Hz).	  	  This	  is	  in	  contrast	  with	  the	  fact	  that	  there	  are	  many	  types	  of	  content	  that	  can	  be	  sent	  to	  a	  display,	  each	  with	  its	  own	  unique,	  and	  sometimes	  varying,	  framerate.	  	  When	  the	  display	  refresh	  rate	  is	  not	  synchronized	  to	  the	  content	  framerate,	  the	  user	  can	  experience	  undesirable	  effects	  such	  as	  tearing	  and	  stutter.	  	  For	  mobile	  applications	  (such	  as	  table	  and	  notebook	  PC),	  unnecessarily	  high	  display	  refresh	  rates	  for	  static	  and	  video	  content	  can	  increase	  power	  draw	  and	  reduce	  battery	  life.	  These	  factors	  have	  given	  rise	  to	  the	  need	  for	
  a	  technology	  that	  allows	  the	  refresh	  rate	  of	  the	  display	  to	  adapt	  to	  the	  framerate	  of	  the	  content,	  in	  a	  way	  that	  is	  seamless	  to	  the	  end	  user.	  	  The	  Video	  Electronics	  Standards	  Association	  (VESA®)	  has	  developed	  an	  industry	  standard	  that	  enables	  interoperable	  variable	  refresh	  rate	  capabilities	  over	  DisplayPort	  and	  Embedded	  DisplayPort	  interfaces,	  also	  known	  as	  “Adaptive-­‐Sync”.	  This	  document	  discusses	  the	  use	  cases	  and	  benefits	  that	  this	  technology	  can	  provide.	  	
  	  	  Figure	  1	  shows	  how	
  a	  variable	  refresh	  rate	  scheme	  can	  allow	
  a	  graphics	  source	  to	  dynamically	  adjust	  display	  refresh	  rate	  based	  on	  typical	  content	  framerates	  for	  power	  efficient,	  virtually	  stutter-­‐free,	  and	  low-­‐latency	  display	  update.	  	  Figure	  1:	  Content	  Adaptive	  Display	  Refresh	  DisplayPort	  ADAPTIVE-­‐SYNC	  USE	  CASES	  MARCH	  2014	  	  	  GAMING	  Variable	  refresh	  rate	  technologies	  have	  obvious	  benefits	  for	  the	  gaming	  experience.	  	  In	  a	  typical	  video	  game,	  the	  rendering	  framerate	  varies	  widely	  over	  time	  due	  to	  the	  diversity	  of	  GPU	  computational	  work	  required	  throughout	  the	  game	  (illustrated	  in	  Figure	  2).	  	  Some	  scenes	  with	  little	  detail	  or	  few	  effects	  will	  render	  quickly	  at	  a	  high	  framerate,	  while	  other	  scenes	  with	  more	  detailed	  environments,	  which	  may	  include	
  a	  greater	  number	  of	  effects	  (such	  as	  explosions,	  smoke,	  etc),can	  take	
  a	  longer	  time	  to	  render.	  	  This	  variance	  in	  framerate	  has	  traditionally	  presented	  gamers	  with	  a	  trade-­‐off	  with	  respect	  to	  how	  they	  choose	  to	  refresh	  the	  display,	  such	  choosing	  to	  enable	  the	  ‘VSync’	  setting	  in	  their	  application.	  	  	  Figure	  2:	  Illustration	  of	  framerate	  over	  time	  in	  a	  typical	  video	  game	  VSync	  Rate	  VSync/2	  Rate	  	  With	  ‘VSync’	  enabled,	  the	  display	  buffer	  is	  only	  refreshed	  during	  the	  vertical	  blanking	  interval	  between	  frames,	  so	  that	
  a	  full	  frame	  is	  always	  displayed	  and	  no	  tearing	  is	  	  visible.	  	  This	  is	  great	  if	  the	  game’s	  rendering	  framerate	  is	  	  higher	  than	  the	  refresh	  rate	  of	  the	  display.	  	  If	  the	  game’s	  framerate	  drops	  below	  the	  refresh	  rate	  of	  the	  display	  (eg.	  during	
  a	  short	  period	  of	  intensive	  action),	  then	  the	  new	  frame	  will	  not	  be	  ready	  in	  time	  for	  the	  display’s	  blanking	  interval,	  and	  the	  previous	  frame	  is	  repeated	  on	  the	  display.	  	  This	  is	  illustrated	  in	  Figure	
  3	  as	  Render	  Frame	  B	  took	  so	  long	  to	  render,	  that	  Frame	  A	  
had	  to	  be	  repeated.	  	  This	  effect	  manifests	  itself	  as	  stutter	  and	  lag	  to	  the	  end	  user.	  	  The	  alternative	  for	  the	  gamer	  is	  to	  disable	  VSync,	  which	  virtually	  eliminates	  stutter	  and	  lag,	  but	  can	  produce	  visible	  tearing,	  especially	  during	  scenes	  with	  fast	  movement.	  

VESA	  DISPLAYPORT	  ADAPTIVE-­‐SYNC	  	  MARCH	  2014	  	
  |	  	  1	  

	  	  Figure	  3:	  Frame	  analysis	  of	  traditional	  VSync	  vs	  Adaptive-­‐Sync	  	  	  Variable	  refresh	  rate	  technologies	  such	  as	  DisplayPort	  Adaptive-­‐Sync	  address	  these	  issues	  by	  providing	
  a	  mechanism	  that	  allows	  the	  display	  refresh	  rate	  to	  change	  dynamically	  in	  response	  to	  the	  rendering	  framerate	  of	  the	  game.	  	  In	  the	  case	  illustrated	  in	  Figure	  2,	  the	  display	  will	  wait	  until	  Render	  Frame	  B	  is	  finished	  and	  ready	  before	  updating	  the	  display.	  	  This	  helps	  ensure	  that	
  a	  frame	  is	  almost	  always	  displayed	  as	  soon	  as	  possible,	  avoiding	  lag.	  	  It	  also	  helps	  ensure	  that	  frames	  do	  not	  need	  to	  be	  repeated	  within	  the	  refresh	  rate	  range	  of	  the	  display,	  avoiding	  stutter.	  	  The	  display	  refresh	  rate	  is	  synchronized	  to	  the	  rendering	  framerate,	  which	  helps	  avoid	  the	  issue	  of	  tearing	  associated	  with	  VSync-­‐off.	  	  DisplayPort	  Adaptive-­‐Sync	  provides	  the	  ideal	  solution	  for	  smooth	  gameplay	  with	  decreased	  lag	  and	  virtually	  no	  tearing.	  

VIDEO	  PLAYBACK	  DisplayPort	  Adaptive-­‐Sync	  may	  also	  be	  applied	  to	  use	  cases	  other	  than	  gaming.	  	  For	  example,	  it	  can	  be	  used	  to	  enable	  the	  essentially	  seamless	  playback	  of	  video	  at	  almost	  any	  framerate	  (Eg.	  23.98,	  24,	  25,	  29.97,	  30,	  48,	  50,	  59.94,	  60	  fps).	  	  In	  the	  case	  of	  video	  content	  with	  a	  fixed	  framerate,	  the	  refresh	  rate	  is	  set	  up	  to	  match	  the	  framerate	  of	  the	  video	  content.	
  	  DisplayPort	  Adaptive-­‐Sync	  can	  provide	  virtually	  judder	  -­‐free	  playback	  at	  almost	  any	  video	  framerate	  without	  the	  need	  for	  costly	  Frame	  Rate	  Conversion	  (FRC)	  post-­‐processing.	  	  This	  can	  also	  help	  reduce	  power	  consumption	  during	  video	  playback.	  	  	  	  VESA	  DISPLAYPORT	  ADAPTIVE-­‐SYNC	  	  MARCH	  2014	  	
  |	  	  2	  

	  	  SYSTEM	  POWER	  SAVINGS	  Variable	  refresh	  rate	  technology	  has	  been	  available	  to	  Notebook	  PC	  makers	  for	  quite	  some	  time	  as	  a	  system	  power	  saving	  feature	  for	  embedded	  notebook	  panels.	  	  This	  is	  already	
  a	  capability	  of	  the	  Embedded	  DisplayPort	  interface,	  for	  example.	  When	  the	  system	  enters	
  a	  static	  screen	  state	  (no	  new	  content),	  the	  refresh	  rate	  of	  the	  display	  is	  lowered	  to	  the	  minimum	  rate	  that	  it	  can	  support,	  to	  save	  power.	  	  The	  transition	  between	  refresh	  rates	  is	  invisible	  to	  the	  end	  user,	  and	  it	  comes	  at	  a	  	  low	  cost	  to	  PC	  makers	  since	  no	  additional	  hardware	  is	  required	  to	  enable	  this	  feature.	  	  CONCLUSION	  In	  summary,	  VESA’s	  DisplayPort	  Adaptive-­‐Sync	  standard	  can	  be	  used	  to	  create	  products	  with	  variable	  refresh	  rate	  capabilities	  that	  offer	
  a	  number	  of	  benefits:	  	
  yDynamically	  adapts	  the	  display	  refresh	  rate	  to	  a	  variable	  gaming	  content	  render	  rate	  for	  low	  latency	  and	  a	  smooth,	  virtually	  stutter-­‐free	  gaming	  experience.	
  yDynamically	  adapts	  the	  display	  refresh	  rate	  to	  fixed	  video	  content	  framerate	  for	
  a	  power	  efficient	  and	  virtually	  stutter-­‐free	  video	  playback	  experience.	  	
  yHelps	  improve	  battery	  life	  by	  reducing	  the	  refresh	  rate	  of	  the	  panel	  when	  the	  screen	  is	  static	
  yEnsures	  that	  the	  transition	  between	  refresh	  rate	  is	  seamless	  and	  undetectable	  to	  the	  user	  	  VESA	  DISPLAYPORT	  ADAPTIVE-­‐SYNC	  	  MARCH	  2014	  	
  |	  	  3