モジュール

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モジュール

製造やプログラミングの現場で使われる「モジュール」の考え方についてまとめた。モジュール的手法が使われている例やメリット&デメリット、他の分野への応用など。

モジュールとは

モジュールとは本来「寸法」を意味する言葉である。転じて、システムにおいて、全体を一度に扱うのでは無く、分割して扱う考え方(設計思想)を指す。複雑なシステムは、ルールを持って分割することで、その複雑性を軽減することができる。

モジュールとは

日本においてモジュラー化の先駆者である青木昌彦は、著書「モジュール化 新しい産業アーキテクチャの本質」の中で、モジュラー化を次のように説明している。

「モジュール」とは、半自律的なサブシステムであって、他の同様なサブシステムと一定のルールに基づいて互いに連結することにより、より複雑なシステムまたはプロセスを構成するものである。そして、一つの複雑なシステムまたはプロセスを一定の連結ルールに元付いて、独立に設計されうる半自立的なサブシステムに分解することを「モジュール化」、ある(連結)ルールの下で独立に設計されうるサブシステム(モジュール)を統合して、複雑なシステムまたはプロセスを構成することを「モジュラリティ」という。

モジュールを説明する単語群

  • 標準化、規格化、汎用化
  • 機能
  • 独立、分割、分解
  • 部品、部分、要素、ユニット
  • 交換可能
  • 自立化

「モジュール化」は既存のシステムにモジュールを用いることを、「モジュラー」は定義したモジュールに従っている個々の要素を指す。「モジュール」が「モジュール化」や「モジュラー」を指すことも多いため、以下では特に区別せず用いた。

2種類の設計思想

設計思想(アーキテクチャー)には「モジュール型:モジュラーアーキテクチャー」と「非モジュール型:インテグラルアーキテクチャー」の2種類がある。前者は構成要素が独立しており、それらを結合することで設計、開発、製造できるように形作られたアーキテクチャー(組み合わせ型)を指す。後者は構成要素同士が密接に結び付いたアーキテクチャー(摺り合わせ型)を指す。日本

モジュール化と単なる分割との違い

  • 複雑なシステムを分解してできるモジュール自身が複雑なシステムである
  • モジュールの連結ルールが進化する
  • 一度モジュール間連結ルールが定まると、個々のモジュールの設計や改善は独立して行われる

身の回りでみられるモジュール

ブロック
レゴに代表されるブロック玩具は、基本となるブロックのサイズや突起のサイズを統一している。
PC
1980年代にIBMがパソコンの仕様を公開し、同時に規格化した。これにより数多くの部品メーカーが誕生し、パソコンの高機能化が促進された。
プログラム
機能ごとにいくつかのモジュールに分割することで、プログラミングの効率をあげ、メンテナンス性を高めるやり方が一般的である。
プレハブ住宅
統一された規格に基づき、工場で生産することで、短期間で質の良い住宅を建設することができる。
宇宙ステーション
他のモジュールとの連結部や、操作インターフェースの仕様を統一している。参加国はそれぞれ独自の機能を持ったモジュールを開発できる。
授業
学習すべき内容を切り分け、時間割を組み上げる。さらに、1回の授業時間についても10分から15分単位で分割することで、反復が必要なものと思考が重要なものとのバランスを調整する。
歯車
「歯の長さ」と「円周上に存在する歯の数」とを合わせることで、歯車を組み合わせている。
ファミコン
ゲーム部分を本体から切り離しカプセル化したことで、本体の低価格化とゲーム開発の競争を実現した。

モジュールの実際

機械製造とモジュール

精密機械や巨大な機械、開発が難しい機械などでは、生産工程や部品のモジュール化が有効である。PCは最先端の技術が詰め込まれた製品であると同時に、その製造や管理にいち早くモジュール化を取り入れ、製造業としても最先端の取り組みを行っている。モジュール化はコンピューターの普及や発展に大きく寄与した。

自動車は業界の成熟に伴い、シャシーや部品の共通化で利益率を高める工夫をしてきた。現在ではプラットホームの共通化からさらに一歩進化した仕組みとして、トヨタの「TNGA(トヨタ・ニュー・グローバル・アーキテクチャー)」、日産とルノーの「CMF(コモン・モジュール・ファミリー)」、フォルクスワーゲンの「MQB」などが採用されている。

腕時計は1960年代のクオーツショック以降、機械式ムーブメントを自社開発できるメーカーが急激に減少した。以降、他社からムーブメントを購入して自社デザインのケースに組み込むことが増えた。クオーツでは当初からモジュールを組み込む手法がとられている。

どの業界においても、モジュール化は製造の効率化に大きな影響を及ぼした。一方で、同じ規格の部品を使用すると必然的にデザインに制限が生まれ、「おもしろいデザイン」が生まれにくくなっていることが指摘されている。ポルシェを代表するモデルである911は、他のモデルとヘッドライトを共通化した時期があったが、ユーザーから不評であったため、現在は独自のデザインに戻している。

知的生産活動とモジュール

プログラミングでは機能を切り分け、モジュール化することが頻繁に行われる。モジュール化によって開発効率のアップや分業化、メンテナンス効率の向上が可能となる。プログラミングにおいて、モジュール化を理解、実装できるかどうかが、初心者と中級者を分ける基準のひとつとなっている。また、モジュール化では、インターフェイスとして関数部分だけモジュールの外に公開し、実装を隠すこと(情報隠蔽)もできる。これはソースコードを利益の源としている企業にとっては重要なポイントである。細部は異なるが、クラスやオブジェクト、プラグインやアドオン、APIなどもモジュールの概念に基づくものである。

本をかくにあたり、章立てすることや、共著で書くこともモジュールの考え方が活かされている。章立てが上手いかどうかは、読者の理解度に大きく影響する。共著では各著者が得意とする内容について執筆し、本全体としてテーマや文体を統一することで、効率よく質の高い本を仕上げることができる。

経営とモジュール

1980年代にPC製造がモジュール化して成功したのをうけて、1990年代には経営へのモジュールの導入が進んだ。たとえば製造業では、製品製造のオペレーションを5つのモジュール(顧客対応、製品供給、調達、研究開発、管理・スタッフ業務)に分けて考える。現在では製造プロセスだけではなく、業務プロセスや組織体系などにもモジュールの考え方が取り入れられている。

モジュールを取り入れた製造業は、「企画開発と部品製造」「組み立て」「サービスと販売」というフローですすむ。業界でのモジュール化が成熟すると、「組み立て」を担うメーカーの利益が伸び悩むことがわかってきた。前述のフローの中で、「企画開発と部品製造」および「サービスと販売」が伸びる一方、モジュール化を率先してすすめてきたはずの「組み立て」を担う企業の売上が落ち込み、「スマイルカーブ」と呼ばれる状態に陥ることが多い。

モジュールの策定が上手く行われると、その仕様がデファクトスタンダードになることもある。仕様を策定した企業は、開発を通じてノウハウを蓄えたり、特許を取得したりしているため、ビジネス上有利な点が多い。そのため、パラダイムシフトを伴う商品の黎明期には「規格の乱造」が起こりやすく、消費者を混乱させることも多い。古くはVHSとベータ、最近ではマイクロUSBとLightningなど、枚挙に暇が無い。

デザインとモジュール

デザインにおいてもモジュールの考え方が有効な場面は多い。特に物理的な組み合わせを考慮する必要がある建築では、モジュールの考え方が発達した。日本では畳の大きさが統一され、後に広さの単位となった。また古くから尺モジュール(約910mm)が用いられている(現代ではメーターモジュールも存在)。モジュールの採用により、他社との協業が簡便になったり、建材を無駄なく製造、使用できるメリットがある。

20世紀に活躍したル・コルビュジエ(建築家、スイス/フランス)はそれまでの偉人(レオナルド・ダ・ヴィンチなど)の仕事を通じて、人体における数学的な比率を見出だした。これをフィボナッチ配列や黄金比と組み合わせて建築に取り入れた(モデュロール:モジュール+黄金分割)。日本では丹下健三が日本におけるモデュロールを作成、採用している。

cf.960モジュール

情報とモジュール

情報の量と複雑さの増大に伴い、情報をモジュール化する方法が求められている。HTMLが登場し、文書のマークアップが一般的となり、情報のモジュール化は進んだように思われた。しかし意味付けを伴わないマークアップはすぐに限界を迎えた。より高い精度で、かつ手間のかからない方法で情報をモジュール化する方法が研究されている。ポイントはセマンティックであること、また再利用しやすいことである。

モジュールの要件

モジュールの適用範囲は多岐にわたり、概念としても曖昧な部分もあるため、ここでモジュールが満たすべき要件について考察した。

区切り方が適切であること
区切りが適切で無ければ、モジュールがもたらす効果の大半が失われる。区切り方が適切かどうかは質(機能や目的)と量(物理的、データ的な量)によって判断される。
インターフェースを持ち、それが単純であること
各モジュールが上手く接続しない限り、システムは機能しない。そのためのインターフェースは必須であり、またそれはできる限りシンプルで無ければならない。

モジュール化で必要なツール

明示的なデザインルール
アーキテクチャ(モジュールの構成要素と機能を規定したもの)
インターフェース(モジュールのつながり方や相互作用を規定したもの)
標準(モジュールの適合性や優劣を判断するためのもの)
隠されたデザイン・パラメータ
そのモジュールを超えて他の設計に影響を及ぼさない意思決定

モジュール化で必要な情報整備

モジュールの設定
基本単位の区切り方を決める
バリエーションの整理と機能の確認
モジュールの組み合わせで生まれるバリエーションと機能を確認
マトリクス表の整備
バリエーション毎に必要な工程や部品を一覧表にする
製品仕様の標準化(選択式仕様書の整備)
仕様項目毎に変化する内容をまとめた「選択式仕様書」を作成
仕様-機能の結合
モジュールの持つ機能が仕様にどう結びついているかをまとめる

モジュールを効果的に使うには

3種類のモジュール化

すべてのモジュール化にはそれを担当するヘルムズマン(操舵手)が必要である。

ヒエラルキー的
ヘルムズマンが各モジュールの連結ルールを設計、変更する
情報同化型
ヘルムズマンの管理下、連結ルールがファインチューニングされる
情報異化型
ヘルムズマンが複数存在し、各モジュールの活動が同時並行的に行われる

モジュールのメリット

思考しやすい
誰でも考えられる粒度まで複雑なシステムを分割することができる。
合理的、効率的、無駄がない、量産できる
サービスの場合は作業効率を、製品の場合は材料効率や製造効率を高めることができる。またモジュール化したシステムは多人数での処理に向いている。
摺り合わせよりも裾野が広く、機能の多様性と競争が担保される
規格化によって取り組む企業が増える。またモジュールごとの開発が可能となるため、機能や価格にバリエーションが生まれる。
ボトルネックが明確になる
モジュール毎の評価がしやすく、システムのフローを滞らせている箇所が明らかになる。
ブラックボックス化できる
各モジュールはシステム全体から求められる機能を果たせば良いので、その内部を隠蔽でき、モジュール単独でビジネス化できる。
全体のフローやシステムの核になる部分を隠すことができる
規模の大きなシステムでは、自社内ですべての開発や運営を行えない場合がある。モジュール化して外注先を分けることで、全体のフローやコアとなる主要な情報を隠すことができる。

モジュールのデメリット

設計が難しい
設計者はシステムのすべてを把握し、それを昇華しデザインルールとしなければならない。
デザインの多様性が損なわれる
特に機械では物理的な制限が生じるため、デザインの多様性が失われる事が多い。家電などは四角い箱にならざるを得ない。
機能や効果よりもバランスを優先する場合がある
モジュール単体の完成度に加え、システム全体としてのバランスを取る必要があり、結果として効率や機能を抑えなければいけないことがある。
規格の変更が難しい
一度策定された規格が頻繁に変化することは望ましくない。規格の策定には入念な調査と将来的なヴィジョンが必要となる。
革新的な変化が起こりにくい
各モジュールの進化や多様性は期待できるが、外部から見るとシステム全体としてはほとんど変化していないようにみえる。革新的な変化のためにはモジュール全体の再構築が必要となる。
複雑になる
もともと見通しの良いシステムでモジュールを用いると、反って複雑になる場合がある。

モジュールを効果的に使うには

上記のメリットを活かし、デメリットを抑えることがモジュールを効果的に活用する方法となる。システムのモジュール化がうまくいくと、すぐに模倣され、その優位性は時間の経過とともに失われる。そのため、収益性やコストを意識しながら、モジュールの調整を絶え間なく行う必要がある。最適化されたモジュールができあがったのであれば、次は摺り合わせ(非モジュール型:インテグラルアーキテクチャー)の思考に基づき、モジュールのブラッシュアップを行う。またモジュール化はネットワークの経済性の影響を強く受ける。一度モジュールの連結方法が固まったならば、モジュール自身のブラッシュアップは積極的に外部に任せる方が良い。

まとめ

「モジュールを使う」と決めた場合、いくつかあるモジュールの効果(分割、規格化、標準化など)のうち、どれを主に期待すべきかを適宜判断しなければならない。また、モジュールの設計の善し悪しはそのシステムの善し悪しに直結する。

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記事のデータ

文責IDIA.JP
公開日2014年6月11日
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