Ultrabook積極薄型設計限制 更需重視晶片、電源、散熱設計問題
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前言：
Ultrabook設計方針即以超薄、超輕、電池超耐久為主要目標，因此無可避免在產品開發必須因應薄化目的將內部機構設計得相對緊密，大材積的散熱片、散熱墊都可能縮小或取消，而對產品的效能要求，Ultrabook似乎又不打折扣，如何面對設計限制找出突破點，成為Ultrabook產品設計重點...
本文：
Ultrabook這類超可攜、超薄筆記型電腦，遭遇的產品開發難度，在現今強調超可攜的3C產品都可能遭遇，只不過Ultrabook為一般規格筆記型電腦的積極薄化設計，無可避免會有筆記型電腦必備的電池、顯示面板、PCB、處理器、儲存媒體等料件與機構，而在系統設計方面也不見得挑選薄化元件就能搞定設計要求，整體Ultrabook設計還必須考量相當多的設計問題。
對於Ultrabook主要運行的能源來源，為必須採行電池供電的可攜式設備而言，在設計階段除必須面對如何提升整體運行效能問堤外，在超可攜產品一向被垢病的整體運行效能問題，也成為開發相關產品的重要關鍵。
SoC化系統單晶片設計可達到縮小佔位面積、維持運行效能目的
以目前可行的處理器或系統晶片的微縮製程，大多以45nm為主流製作生產水準，而更先進的微縮製程也正朝著32nm甚至2xnm的製程持續發展，例如Intel 32nm的Westmere產品，即嘗試將六核處理核心再與北橋、顯示核心進一步整合為單一晶片的SoC元件。
整合的優勢相當多，因為已可將處理器、北橋晶片甚至連顯示晶片都封裝在單一顆元件。例如，處理器、顯示晶片、北橋都處於同一封裝，自然晶片內的傳輸資料可大幅提升速度與效能、而不用擔心外部載板的干擾，甚至也可以因為內部整合傳輸，讓處理器運算與輸出可以得到倍數的效能提升，至於處理器核心多核的平行運算，也能對處理效能有倍數的增長助益。
縮減系統載板面積為Ultrabook爭取更多設計彈性
處理、顯示、北橋晶片的SoC化，也代表著系統載板的面積可以大幅縮減，主機板的走線可以更精簡，甚至因為走線複雜的晶片組、顯示晶片、處理器，都被整合了，外部走線可以更簡單，而讓開發時不需採取高密度多層板來製作PCB，可達到降低成本、增加良率，甚至因為大量資料於晶片內進行傳輸，也能讓PCB的設計、驗證成本大幅減低。
關鍵需處理散熱的設計，因為大幅採行SoC設計方案，可讓熱處理問題更為集中，設計方案只需解決SoC晶片的散熱需求，自然也就能改善整體散熱問題，讓開發目標可以更為集中，而自處理器、晶片組與顯示卡多方整合後的優勢進而省下的製造料件成本，也可使用以往在一般筆電設計中因成本限制而無法選用的高效散熱設計方案，讓產品可以更為精密、同時卻能維持高效能表現。
處理核心持續強化微縮設計 利於發展多核、異質核心SoC元件
但整合晶片的開發關鍵，必須讓處理器核心得以經由更小、更微縮的製程，來讓核心尺寸再壓縮，唯有縮小核心面積，才能在合理的晶片中堆疊擺置多核晶片，而微核心微縮的方式相當多，其首要的製作方案有導入絕緣矽(Silicon On Insulator；SOI)設計方案，而SOI並非創舉，在剛開始是美商IBM晶片部門投入開發，最早用於PowerPC G4處理器，而同時還有Motorola、Texas Instruments、NEC等業者投入SOI技術。
單靠一種技術無法應付元件開發挑戰，因此在核心元件的為縮製程，也有應用應變矽搭配高K介電金屬閘極(High-k/Metal
Gate；HKMG)，來改善設計形式，而隨著元件的製程持續微縮，使得局部互連的通道截面隨著電晶體、一同被微縮化製成生產出來，這也會同時導致傳輸的訊號出現延遲，或小幅訊號準位上？下偏移設計問題，而為了改善這些狀況可能還必須搭配多樣製程方案改設計，反倒會造成SoC晶片設計成本增加。
高整合元件並非萬靈丹 也可能造成散熱問題
整合方案仍須面對元件性能取捨問題，當選用晶片採高度集積成SoC設計方案後，也會使得製程加工工法差異直接左右晶片的效能表現與應用成果，尤其是當高度微型製程導致電阻而形成的熱效應問題更為加劇，最終可能影響整體晶片的可靠性表現。
例如，SoC會令相關元件所產生的熱源過度集中於單一元件，對於系統設計來說可能僅需面對集中的熱源進行改善，但實際上過度集中的熱源並不容易處理，亦目前主流的筆電散熱設計，大多是利用熱導管先將元件熱源快速帶離元件表面、而熱導管再將熱源導至大型散熱片、再由風扇主動散熱完成整個散熱設計。
在Ultrabook設計方案中，因為機構的空間太小，風扇自然無法產生多大效益，此時若散熱鰭片又不能過大、熱導管也必須壓扁薄化設計影響導熱效率的限制下，SoC元件高熱如何快速處理，就成為Ultrabook設計的關鍵瓶頸。
目前市售Ultrabook多數採用全金屬或鋁合金切削的金屬機殼製作外殼材料，這對於內部元件的散熱來說有易於導熱的優點，但實際的設計也不能過度依賴下蓋散熱，因為Ultrabook筆記型電腦用戶可能會將電腦放在膝上使用，過度仰賴外殼逸散內部熱源，也可能導致用戶操作電腦的不舒適問題。
Ultrabook大量鋰聚合物電池 電源管理需兼具節能與安全
除了關鍵處理器、晶片組、顯示晶片的SoC化趨勢，對可攜式系統的應用電源設計，也會影響最終產品的設計方案，例如，必須採取大量電池供電來換取超長時間離線運行的效益，是Ultrabook相當常見的設計方案，而高容量、高能量密度的選擇，目前多半也僅有鋰聚合物電池方案能滿足設計，但高能量密度也相對代表低安全性，在充電與安全電路必須審慎考量規劃。
電池保護電路，可保護電池免於受過壓、欠壓、過熱、過電流或其他常見電源使用異常狀況，而造成的元件損壞，一般常見設計中，必須準備專用的電池充電電路搭配，在設備有穩定市電供應時對鋰聚合物電池進行充電。而同時必須同步利用電量計電路持續、連續監測電池的電量現況，並同時提供用戶本身、電源管理系統準確的電池應用狀態資料。而Ultrabook的電源系統，亦需要多組DC-DC
Converters，用於產品設計中系統載版可能需要的不同應用電壓。
