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Ultrabook 10大超薄工法解密
NB組件技術再造

【作者: 陸向陽】   2012年02月08日 星期三

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毫無疑問的,Ultrabook是NB(甚或是PC)產業目前唯一的亮點話題,但為成就其「13吋以下機種低於1.8cm,13吋以上機種低於2.0cm」的物理性目標,除了大量參考Apple MacBook Air所帶來的靈感啟發外,也尋求各種差異化與降低成本的可能,對此可謂無所不用其極,到底Ultrabook的實現工藝與傳統NB有何不同?優劣為何?以下將對箇中的8個關鍵部件進行討論。


1. 機殼

機殼是Ultrabook與傳統NB的最大差異,Ultrabook原初的設定是學仿MacBook Air的作法,先將鋁柱原料放入熔爐重熔,而後鑄成連續的鋁板,鋁板切割出其中一塊後,送上CNC加工機進行鑽、削、磨等動作,之後噴砂、雷射蝕刻、電鍍上色等,以此完成NB的A、B、C、D件(A為上蓋,B為顯示器框,C為鍵盤上蓋,D為底部)。


相較於傳統NB使用的ABS塑材,並以射出成形、噴漆或膜內印刷等方式製作,CNC工法可謂耗能(成本)又耗時。


目前Ultrabook價格居高不下的主要因素也在於機殼加工機的產能受限,但Intel也提出變通方案,不堅持只用金屬加工法,提出玻璃纖維的替代方案,玻纖也採射出成形、噴漆方式實現,但因為在塑膠內摻入玻璃材料,因而增加外力抗受性。若純以塑膠製做機殼,則須達一定厚度,其外力抗受性才能達基本要求,然如此也就難達「薄」的物理要求。


另外也提出金屬沖壓法,比金屬CNC加工來的低廉、快速,且良率高。至於碳纖維也具高度外力抗受性與輕薄,但製程良率低、價格昂,過往已有數款NB採行,如IBM ThinkPad、HP Envy 13等,之後多未能持續。


附帶一提,純鋁過軟(鋁的優點是輕,使NB具高攜性),多摻入其他金屬(合金)以增加其硬度,或至少在主殼外,於殼內加裝硬金屬的內支撐架,不過超薄NB的內部空間已有限,內支撐架多未用或少用。合金方面,合金有多種作法,過往多強調鋁鎂合金,摻入鎂的優點是鎂的硬度夠,也夠輕,但價格貴,一般僅適度摻用。


2. 印刷電路板

傳統NB使用一般的PCB印刷電路板,但Ultrabook為達到超薄,須使用Smartphone所用的HDI(High Density Interconnect)高密度印刷電路板,價格較高。


事實上,過往2009年CULV NB推行時即已使用HDI電路板,當時為連接高密度接腳排列的CPU,整片電路板上約1/2~1/4的面積須使用HDI技術,其餘部份仍可採行傳統排佈密度較低的傳統PCB技術。由於使用HDI會增加成本,業者向Intel反應後,Intel承諾後續將推出接腳較寬裕排列的CPU,如此可在不使用HDI下焊上CPU。


雖然如此,但若Ultrabook機內空間仍極度受限下,仍有很大可能性須使用HDI,其電路板成本仍比傳統NB為高。而Apple由於已大量生產iPhone,HDI用量大,其量價均攤效果大於Wintel陣營,此也是Ultrabook現階段居價格劣勢的原因之一,但主因仍是成本較高的機殼,電路板成本低於機殼成本。


3. 顯示面板

傳統NB為了達到更薄的A、B件,已由CCFL背光改成LED背光,而今Ultrabook需要更薄,所以採行了特有的Open Cell製程。


傳統的NB面板製程,是ODM/EMS業者(如廣達、鴻海)直接取得已具有背光模組的LCD面板,而Open Cell製程則否,ODM/EMS業者取得不具背光的面板,並在A件內放入特有的超薄背光模組,之後才將面板與背光貼合,用特有工法實現更薄。


由於要更薄的背光模組及製造程序的改變,所以初期成本高,然在Ultrabook市場逐漸開展後,未來背光模組廠也考慮直接設計、實現超薄背光模組,未來製造程序仍會與傳統製程相同,由面板廠或背光模組廠完成貼合動作,ODM/EMS不再需要自行貼合。


4. 晶片

晶片對Ultrabook設計可謂是關鍵,Ultrabook的機內空間有限,無法使用針狀接腳與連接器,晶片均採球狀接腳,並直接焊接於電路板上,減少機內高度的使用。


其次,晶片的封裝尺寸也必須盡可能小型化(Small Form Factor, SFF),2008年第一款MacBook Air推出時,即逼迫Intel提前供應小型封裝的晶片,否則難以實現MacBook Air。


另外,晶片數目也必須盡可能減少,如過去Core 2為主的CULV NB,須使用CPU、北橋(North Bridge;NB)、南橋SB等3顆晶片,並捨棄獨立封裝的GPU,而到了Core i後,CPU與NB整合,僅需2顆晶片,即CPU與SB,未來Ivy Bridge甚至會提供僅1顆晶片的SoC版。


晶片為降低高度使用球狀接腳與焊接,為降低長寬電路板面積而減少晶片用數,並使用小型封裝版。除這些外,晶片的功耗也極重要,若晶片產生高熱,則有限的機內空間仍無法負荷,因此無法使用標準電壓(功耗)的晶片,須使用超低電壓(功耗)的晶片,晶片功耗自35W降至17W,且依據Intel對其後續晶片的目標期許,未來將降至15W、11W。


《圖一  圖上為標準尺寸的晶片組(北橋與南橋),圖下為小型封裝(SFF)的晶片組,SFF版適合小面積的電路設計。(圖片來源:Intel.com)》
《圖一 圖上為標準尺寸的晶片組(北橋與南橋),圖下為小型封裝(SFF)的晶片組,SFF版適合小面積的電路設計。(圖片來源:Intel.com)》

5. 記憶體

與上述相同的,記憶體晶片也是直接焊接於電路板上,節省機內高度的耗佔,焊接的好處是省去模組子卡電路板、連接器等成本,但缺點是缺乏換裝、擴充彈性,且需要更講究製程良率與庫存控制。


記憶體亦可能需要使用小型封裝版、低功耗版,如一般NB使用DDR2(1.8V)、DDR3(1.5V)的SDRAM,Ultrabook可能需使用DDR3L(1.35V)的SDRAM。另外,未來也可能使用更低運作電壓的DDR3U(1.25V),或手機領域使用的LPDDR2(1.2V),端視Intel對後續晶片組的技術規劃而定。


由於力求機內空間的精省,在略去獨立封裝的GPU下,獨立配置的視訊記憶體也一樣略去,採行一體化記憶體架構(Unified Memory Architecture, UMA),從系統主記憶體中切割部份空間充當視訊記憶體。


6. 儲存裝置

MacBook Air最初可使用1.8吋微型硬碟(直接取用自iPod classic的組件)或SSD固態硬碟,但之後全然只使用SSD,多數的Ultrabook也多採行僅用SSD的設計,目前唯獨Acer的Ultrabook:Aspire S3例外,採行SSD、傳統機械HDD兼具的設計,一般而言,兼具的設計可兼顧效能與價格容量比,但仍須由實際標竿(Benchmark)測試與建議售價(MSRP)而定。


而與過往多數論述相同的,SSD速度快、省電、抗震、省空間,但價格容量比低,且寫入壽命短;相對地,傳統機械硬碟的速度慢、耗電、不耐震、耗佔空間。值得注意的是,由於2011年10月的泰國水患,全球52%的硬碟產能在泰國,其他於大陸、菲律賓、馬來西亞等,傳統機械硬碟供貨大受衝擊。推估後續Ultrabook仍會以SSD為主,改行HDD機會低。


《圖二  新款MacBook Air內使用mSATA標準的SSD固態硬碟(手拿者),Wi-Fi模組(綠色晶片組左下相鄰)也以內埋方式處理。(圖片來源:iFixIt.com)》
《圖二 新款MacBook Air內使用mSATA標準的SSD固態硬碟(手拿者),Wi-Fi模組(綠色晶片組左下相鄰)也以內埋方式處理。(圖片來源:iFixIt.com)》

7. 電池

一般NB使用圓柱狀的鋰離子(Li-ion)電池,圓柱狀電池的內部是個圓柱狀的鋼罐,用來密封電解液(用鋼抵抗電解液的腐蝕性),而所謂的3-Cell、6-Cell,即是使用3顆圓柱電池或6顆圓柱電池,且NB產業多使用18650電池(圓直徑18mm,柱長650mm),已是不成文的產業標準(de facto)。


但很明顯地,18mm已是Ultrabook整機的高度,Ultrabook不可能採行標準鋰離子電池,取而代之的是鋰聚合物電池,也稱鋰高分子(Li-Polymer)電池。鋰高分子電池的電容量與鋰離子電池相當,但電解液非液狀,而類似果凍狀,流動性低,所以不需要鋼罐包覆,一般使用鋁箔包覆即可防止電解液外溢的危險。


使用鋁箔自然比鋼罐輕,且電解液與鋁箔都更軟而更好塑形,因此可以形成超薄型、L型等過去鋼罐所做不到的形體(鋼罐礙於鋼的金屬強度、韌性等限制),增加機內可存放的電量,或提供更彈性的機內空間設計,或支援更輕薄的外觀設計。


所以,無論MacBook Air或Ultrabook,一律使用鋰聚合物電池,不過鋰聚合物電池並非全無缺點,充放電次數較少,電池壽命較短,價格較高等,仍是其限。


除了鋰聚合物電池外真無其他選擇?答案為否,早於2009年的CULV NB攻勢時,電池芯業者就提出圓直徑更小的圓柱型電池,或者也提供更低扁的方形鋼罐鋰離子電池,雖然塑形彈性依然無法與鋰聚合物電池相比擬,但只要NB系統業者能在空間配置上多花些心思,新尺寸、新構型的鋰離子電池仍具採行性。


在電池芯類型外,整個電池組設計也不同,傳統NB多採行可拆換的電池組,但Ultrabook為追求至薄,只能將電池內封,無法讓終端消費者自行換替。不過,根據市場調查機構NPD的研究,消費者在初買NB的同時就加購第2組電池者,已逐年減少,甚至低於5%以下。


再者,隨著NB電池電量持續增長,以及機內組件的用電逐漸減少(如LED背光、SSD儲存、ULV晶片),還有各類型省電技術的提出(如C6省電狀態)等,均使電池彈性替換的需求降低。


此外內埋設計讓消費者無法使用協力業者(Third Party,又稱:副廠)的電池,使售後服務的維修權責爭議減少,因此內埋設計的反對立場逐漸減弱。


《圖三  新款MacBook Air內部使用6片鋰聚合物電池(圖片來源:iFixIt.com)》
《圖三 新款MacBook Air內部使用6片鋰聚合物電池(圖片來源:iFixIt.com)》

8. 散熱設計

傳統NB的散熱模組多以散熱片、熱導管、電動風扇等3者來組成散熱模組,但在薄型要求下,熱導管也必須從圓柱管狀變成扁管,以降低機內高度空間的耗佔,甚至省略熱導管,只用散熱片與風扇完成散熱設計。


另外,過往的日本超薄NB即有用石墨為導熱材料的設計,如NEC UltraLite或SONY VAIO Z等,目前屬先進的昂貴工藝,但未來條件成熟,也可能為Ultrabook所用。


散熱除了模組設計,機殼上的氣流進出設計也要考慮,過往即有終端消費者於網路上抱怨MacBook Air散熱不良或過熱等,此也使Ultrabook的外殼散熱設計格外受重視,由於Ultrabook已相當薄型,所以散熱風口多不在左右側,而在顯示器與機身的接縫位置,部份也設在底部。


《圖四  Acer Aspire S3機內圖,S3仍有使用熱導管(銅色物)與扁平型鋰離子電池(圖左上)。(圖片來源:3dnews.ru)》
《圖四 Acer Aspire S3機內圖,S3仍有使用熱導管(銅色物)與扁平型鋰離子電池(圖左上)。(圖片來源:3dnews.ru)》
《圖五  ASUS UX31的散熱孔位於顯示器與機身間的機身後方。(圖片來源:Anandtech.com)》
《圖五 ASUS UX31的散熱孔位於顯示器與機身間的機身後方。(圖片來源:Anandtech.com)》
《圖六  多數Ultabook的散熱孔設置在後方,然Lenovo IdeaPad U300s設置在側面。(圖片來源:tech2.in.com)》
《圖六 多數Ultabook的散熱孔設置在後方,然Lenovo IdeaPad U300s設置在側面。(圖片來源:tech2.in.com)》
《圖七  Toshiba Portege Z830將散熱孔設於機身底部(右下方)。(圖片來源:pconline.com.cn)》
《圖七 Toshiba Portege Z830將散熱孔設於機身底部(右下方)。(圖片來源:pconline.com.cn)》

9. 連結器

許多連接器的小型化或省略,例如RJ-45的標準乙太網路埠因過高,從最初的MacBook Air便已取消,一律使用Wi-Fi連線,或透過額外連接的USB轉接器來取得RJ-45埠。相同的,D-Sub的視訊輸出埠也過高,不可能保留,改以HDMI埠取代。電源配接器的孔座也必須刻意設計成小型化,以便能配置在高度大減的側面機身。


正因為側面可配置I/O埠的面積大幅減少,11吋的Ultrabook多不提供記憶卡卡槽(Memory Card Slot),但13吋的Ultrabook仍有若干餘裕可運用,仍提供SD卡槽以存取SD記憶卡,一般傳統NB多提供多合一的記憶卡卡槽,但Ultrabook礙於高度之限,同時記憶卡幾乎以SD為主流,因此只考慮支援SD。


其他如Wi-Fi也不再採行Mini PCIe的模組子卡,相關電路系統與功效直接焊於內部電路板,或至少以模組方式內埋,不再能自外部換替。


10. 其他

上述為每款Ultrabook必須面對的設計取捨,然在此外,也有許多相關設計需配合薄型要求而有所改變。


例如,與LCD一樣放在A、B件間的WebCam攝影機模組也必須薄型化。傳統NB所用的攝影機模組太厚,雖大量、廉價生產,但無法放入Ultrabook,也必須重新設計生產,同時也包含麥克風,這些均會墊高成本。


再來是鍵盤,分島、孤島鍵盤(俗稱巧克力鍵盤)已是主流,但最新款的MacBook Air具備與MacBook Pro相同的背光鍵盤。相對地,多數Ultrabook業者未替鍵盤加入背光,目前所知只有HP的Ultrabook:Folio具備背光。另外,Apple的NB原初多使用金屬鍵盤,之後改成黑色塑膠鍵盤,但現有Ultrabook業者則仍偏好金屬鍵盤。


結語

至此可知,Ultrabook實是PC硬體組件生態的再次演化提升。


過去是桌上型轉變成筆記型電腦,諸多組件開始進行「並存而後替代」的歷程,如3.5吋硬碟變成2.5吋、DIMM記憶體模組變成SO-DIMM、PCIe介面卡變成Mini PCIe模組子卡。


而今為了成為更薄的NB,NB組件也全面再提升,甚至諸多方面的提升靈感啟發是來自Smartphone的生態系統,如SSD(NAND Flash)、HDI等。


Ultrabook雖然可透過薄型外觀博得消費者寵愛,但能否持續擴大佔比,目前仍難定論,以桌上型電腦為例,即便之後推出準系統、公升級電腦等小型化系統,並在推行初期大受媒體好評與市場青睞,但直至今日,傳統塔型桌上型電腦仍是大宗,仍在整體桌上型電腦市場佔有50~60%以上比重。


所以,即便Ultrabook大受喜愛,Intel目前也僅設定在消費型NB的20~40%佔比,此還不包含商務型NB,若包含則在整體NB市場的佔比更低。


最後,其實Ultrabook推展艱辛的原因,並不單只是CNC加工機的產能排擠,或只是Wintel業者多未涉足Smartphone產品,而無法招架Apple以Smartphone零件建構出超薄NB的攻勢,更重要的問題是缺乏自己的產品發展步調、自己的產品中心思想,及一致性的產品設計風格與識別,即便今日有Ultrabook的高工藝品,也僅被媒體、大眾視為偶有佳作(更糟為急就章之作),優勢無法擴大持續。


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