移動しながら働くためのエンジニアリング: Surface は 12 インチの Pro に向けて 5G をどう設計したか

※本ブログは、米国時間 9 月 30 日に公開された ‘Engineering for work in motion: How Surface designed 5G for a 12-inch Pro’ の抄訳です。

現場で働く従業員は、顧客先で Surface Pro を手に持って情報を確認し、平らに置いてドキュメントに注釈を書き込み、最後にキックスタンドを開いてキーボードを取り付けてレポートを仕上げる、といった使い方をするかもしれません。タスクごとにデバイスに求められることは異なり、その間に利用できるネットワークも変わる場合があります。顧客先、医療現場、倉庫、共有スペースなどをまたいで働く人にとって、組織の Wi-Fi に常にアクセスできるとは限りません。

オプションで 5G を選択できる法人向け Surface Pro は、コンパクトな 12 インチ デバイスならではのタッチ、ペン、音声、キーボードによる操作に加えて、こうした従業員にもう 1 つの接続手段を提供します。この機能を Surface Pro に搭載するには、互いに密接に関連する一連の設計上の課題に取り組む必要がありました。筐体内のどこにアンテナを収めることができるでしょうか。手やアクセサリー、キックスタンドはアンテナにどのような影響を与えるでしょうか。そして、Surface Pro が 1 日を通じてとるさまざまな姿勢において、通信モジュール、ファームウェア、Windows をどのように連携させればよいでしょうか。

接続手段を選べることが重要な理由

Surface 向けにチューニングされた専用の 5G モジュールと Wi-Fi モジュールは、優れたワイヤレス性能と拡張性の高いプラットフォームを実現するよう設計されています。

企業にとって、もう 1 つの接続経路を持つことの価値は、利用可能なネットワークを見つけられることだけにとどまりません。Microsoft 脅威インテリジェンスは、宿泊施設のネットワーク上でトラフィックを操作するキャンペーン CaptiveCrunch の分析の中で、影響を受けたトラフィックが攻撃者の管理するインフラストラクチャへリダイレクトされ、フィッシングやマルウェアの配布に悪用された手口を説明しています。そのガイダンスでは、出張者に対して、ホテル、カンファレンス会場、空港などのゲスト向けワイヤレス ネットワークを信頼できないものとして扱い、可能な限りモバイル ホットスポットや eSIM ベースのモバイル データ通信などのプライベートな接続を優先するよう勧めています。詳しくは、Microsoft セキュリティ ブログの分析記事をご覧ください。

オプションの内蔵 5G を利用すると、通信事業者のサービス エリア内にいる従業員は、組織の Wi-Fi が利用できない場合でも接続でき、なじみのないゲスト ネットワークに頼る必要が少なくなります。この選択肢は、エンドポイント保護、ID 制御、ネットワーク ポリシーと並び、組織の幅広いセキュリティ対策の一部として位置付けられます。

Pro の動きに合わせたエンジニアリング

キックスタンドを開いてキーボード入力している状態から、Surface Pro を縦向きに持つ状態に移ると、アンテナ周辺の物理的な条件が変化します。手の位置が変わり、キーボードが取り外されることもあり、体や周囲のものに対するデバイスの角度も変わります。手やアクセサリー、周囲のものはモバイル通信の信号に影響を与える場合があるため、こうした日常的な変化は無線周波数 (RF) のエンジニアリングに影響します。

この Surface Pro では、エンジニアがメインの送信アンテナを上端に沿って配置し、手、キックスタンド、キーボード、カバーが触れることの多い領域から離しています。この配置は、2-in-1 の一般的な各モードで安定した 5G 性能を発揮できるよう設計されています。また、アンテナに使えるスペースや、各コンポーネントが互いにどのように動くかなど、このデバイス固有の物理的なアーキテクチャを反映したものです。

メインの送信アンテナは手やアクセサリーから離れた上端に沿って配置されており、2-in-1 の一般的な各モードで安定した 5G 接続を支えます。

キックスタンドは、Surface Pro の使い方が変わるたびに位置が変わるため、考慮すべき点がさらに増えます。キックスタンドを完全に閉じてデバイスを平らに置いた状態では、信号性能に影響が出る場合があります。この状態に対処するために、チームが着目したのは、キックスタンドを開くための指掛け部 (フィンガー スクープ) という、小さくておなじみの部分でした。

思いがけない場所で信号を確保する

指掛け部に追加された 2 つのアンテナにより、キックスタンドを完全に閉じた状態でも、さまざまな使用モードで 5G 接続を維持しやすくなります。

指掛け部は、キックスタンドを開くために指を入れる小さなくぼみです。目立たない細部ですが、エンジニアは、その位置がモバイル通信用アンテナの設計にも役立つことに気付きました。そこで、キックスタンドを閉じた状態での受信を補うため、指掛け部の領域に 2 つのアンテナを追加しました。

これにより、このスペースは同じ設計の中で 2 つの役割を担うことになります。外側から見れば、キックスタンドを開くときに指をかける場所であることに変わりはありません。一方、内側には、キックスタンドを閉じた状態でも 5G 接続を維持できるようにするためのアンテナが収められています。このアプローチは、Surface に既にある特徴を活用して、キックスタンドを閉じた状態で生じるアンテナ配置の課題に対処するものです。

この設計は、限られた同じスペースの中で、機械設計とワイヤレス エンジニアリングを結び付けています。くぼみには指先が届く必要があり、キックスタンドは可動域全体を動ける必要があり、アンテナは完成品の素材と寸法の範囲内で機能する必要があります。

システムとして接続性をチューニングする

適切なアンテナの位置を見つけることは、その取り組みの一部にすぎません。アンテナは通信モジュール、ファームウェア、Windows と連携して動作し、その性能はこれらの要素がどのように統合されているかによって左右されます。Surface のエンジニアは、デバイス内部で使えるスペースやアンテナ周辺の素材を考慮しながら、RF フロントエンド、アンテナ アーキテクチャ、物理的な筐体にまたがって作業しています。上端へのアンテナ配置や指掛け部のアンテナは、そうした判断の目に見える例ですが、より大きなワイヤレス設計の一部でもあります。

5G の設計にあたり、Surface の RF チームはアンテナ アーキテクチャに合わせて RF フロントエンドをカスタマイズしました。12 インチの Pro のアンテナ アーキテクチャは、別の Surface フォーム ファクターの 5G モジュールで使用されているものと同じ RF フロントエンド アーキテクチャに対応付けられています。これにより、ノート PC と 2-in-1 の設計間でモジュールを再利用できるようになりました。

ただし、モジュールを再利用しても、デバイスごとに固有のエンジニアリング作業は依然として多く残ります。ノート PC と Surface Pro ではアンテナに使えるスペースが異なり、持ち方や置き方も異なります。エンジニアは共通のモジュールを維持しつつ、各製品の機械設計と工業デザインの要件に合わせてアンテナ システムを最適化できました。12 インチの Pro の場合、こうした要件には、キックスタンドの位置の変化や、デバイスをタブレットとして使う際のさまざまな使い方への対応が含まれます。

共通の基盤と構成の柔軟性

SKU 間で Wi-Fi と NFC のアンテナ位置を共通化することでマザーボードの共通化が可能になり、複雑さの軽減を目指した設計アプローチを支えています。

関連する設計上の判断により、12 インチの Surface Pro のモバイル通信対応構成と Wi-Fi のみの構成の両方をサポートしやすくなりました。モバイル通信機能を追加するとアンテナの要件が変わるため、2 つの構成のアンテナ設計は同一ではありません。エンジニアは、オプションの 5G に必要な追加のアンテナ要件に対応しながら、両方の構成で同じマザーボード設計を使用できるよう、構成間で Wi-Fi アンテナの位置をそろえました。

エンジニアは、異なるレベルで再利用を取り入れました。フォーム ファクター間で共有する 5G モジュールと、この Surface Pro の構成間で共有するマザーボードです。いずれも共通の基盤を提供しつつ、各デバイスに必要なアンテナ設計の余地を残しています。

法人での導入における接続手段の選択

IT チームにとって、現実的な出発点となるのは、従業員がどこで働く必要があり、そこでどのような接続を利用できるかという点です。オプションの 5G は、組織の Wi-Fi が利用できない場合に通信事業者への直接接続を提供します。また、nano-SIM と eSIM の両方に対応しているため、モバイル通信サービスを柔軟な方法でアクティブ化できます。通信事業者と料金プランが対応していれば、ホットスポット機能を使って他のデバイスを接続することもできます。

IT チームは、従業員が働く場所に照らしてこれらの選択肢を評価できます。パブリック 5G 環境と、対応するプライベート 5G 環境では、ネットワーク、アプリ、管理の要件が異なります。また、通信事業者のサービス エリアや利用可能な料金プランは場所によって異なります。提供状況や性能も、市場、通信事業者、ネットワーク、料金プラン、構成によって異なるため、導入計画では従業員がデバイスを使用する状況を考慮する必要があります。

接続にとどまらないセキュリティ

5G 対応の Surface Pro 12 インチは、Secured-core の保護機能や Pluton セキュリティ プロセッサといった Microsoft のセキュリティ テクノロジを搭載しています。

デバイスがオフィスの外に持ち出されると、ネットワークの選択は、IT 部門が考慮すべき判断の 1 つにすぎなくなります。デバイスには、起動、認証、データの保護に加え、組織のポリシーを適用できる機能も必要です。法人向け Surface Pro は、さまざまな接続オプションに加えて、商用環境向けに設計されたハードウェア、ファームウェア、ID、暗号化、管理の機能を兼ね備えています。

Windows 11 の Secured-core PC 保護機能、TPM 2.0 対応の Microsoft Pluton、Patina と Rust ベースのファームウェアを採用した Surface UEFI が、セキュア ブートと連携して起動プロセスを保護し、ハードウェアに裏付けられたデバイス セキュリティの基盤を確立します。BitLocker は暗号化によってデータを保護し、強化されたサインイン セキュリティを備えた Windows Hello 顔認証が認証を担います。DFCI と Microsoft Intune を使用すると、IT チームはデバイスとファームウェアのポリシーを適用できます。モバイル通信機能は、従業員にネットワークへのもう 1 つの接続手段を提供するという、別の役割を果たします。

体験の中に組み込まれた接続性

次に Surface Pro 12 インチのキックスタンドを開くとき、指掛け部に注意を向けることはおそらくほとんどないでしょう。それは、デバイスを使いたい姿勢にセットするための、小さくておなじみの部分です。しかし Surface Pro の内部では、さまざまな使い方において 5G 接続を維持するために必要なエンジニアリングの一端を担っています。

同じ考え方は、アンテナのレイアウトと、その背後にあるワイヤレス アーキテクチャにも貫かれています。Surface のエンジニアは、1 日を通じて姿勢が変わるコンピューターを前提に接続システムを設計しました。その工夫は、指先でキックスタンドを開くための小さなくぼみに 2 つ目の役割を見いだすところにまで及んでいます。

Surface のあらゆる体験は、目に見えるコンポーネントから舞台裏で働くテクノロジまで、緻密なエンジニアリングによって生み出されています。本シリーズでは、現代のコンピューティングを可能にするイノベーションに光を当てていきます。まだご覧になっていない方は、本シリーズの『Engineering touch into modern computing: The evolution of haptics on Surface』と『From optics to AI: diving into Surface camera innovation』もぜひご覧ください。今後も、技術的な深掘りやエンジニアリングの視点をお届けしていきます。