讀懂操作系統之虛擬內存頁表(五)

前言

在一個擁有32位的地址空間,4KB的頁面(212),並且每個PTE為4個字節,那麼頁表大小為4MB(4 * 232 / 212),但若為64位地址空間,4KB的頁面(212)且每個PTE為4字節,那麼頁表大小為16TB(4 * 264 / 212),由於頁表常駐內存,佔用內存會很大,所以必須對頁表存儲結構進行優化,這就是我們本文所要講解的內容,常見的頁表數據結構為多級頁表(兩級、三級等)、倒置頁表、哈希頁表,我們來一一進行分析。

多級頁表

首先我們講講2級頁表,然後通過2級頁表延伸到多級頁表,現假設有16KB(214)的地址空間,並且每頁大小為64(26)字節,每個PTE為4字節,那麼說明頁表為1KB(4 * 214 / 26),若我們有64字節的頁,那麼將1KB可劃分為16個64字節的頁面,每個頁面可容納16個PTE,前面我們講解到虛擬地址劃分為虛擬頁號(VPN)和虛擬頁偏移量(VPO),但虛擬頁偏移量已經固定,那麼我們只能從VPN下手將其作為索引用於索引頁表目錄,那麼我們該如何利用VPN來構建各個部分的索引呢?我們首先需要構建頁表目錄,根據上述假設,總共有256個PTE分佈在16頁上,頁目錄在頁表的每頁上需要一個條目,因此它具有16個條目, 最終我們需要VPN中的4位索引到目錄中,這也就意味着我們需要使用VPN的前4位,如下所示:

我們從VPN提取出了頁表目錄索引(PDI),那麼我們就可以計算出每個PDE(Page Directory Entry)的地址值:

PDEAddress = PageDirectoryBase + (PDIndex * sizeof(PDE))。

有了頁目錄索引后我們還需進行進一步翻譯,如果頁目錄索引為空,很顯然第2級頁表根本就不會存在,如此一來則達到了減少內存的要求,因為只有第一級頁表才會存在於主存中,虛擬內存系統會根據需要調入或調出第2級頁表,這就減少了主存的壓力,只有經常使用的2級頁表才需要緩存在主存中。如果第1級頁表即頁目錄索引有值,那麼還需根據頁目錄指向的頁表頁面去獲取PTE,要找到此PTE,我們還需要使用VPN的其餘索引映射到頁表的部分。

 通過使用如上頁表索引來索引頁表本身,從而找到PTE地址,也就找到了PFN(物理頁幀號)

PTEAddress = (PDE.PFN << SHIFT) + (PTIndex * sizeof(PTE))

從頁面目錄獲得的頁面幀號(PFN)必須先左移到適當位置,然後再與頁表索引組合以形成PTE的地址。假設如下為二級頁表扁平化的片段

 

如上第1片段為頁表目錄,在其中存在索引到第2級頁表的索引,還包括有效位,第2和第3片段分別為第1級頁表目錄索引對應的頁表(其中包含保護位,可讀?可寫?等等),假設CPU產生虛擬地址(0xFE16 = 25410 = 111111102),由於我們假設虛擬地址空間為14位,所以將轉換后的2進制不足用0填充即11111110000000,同時我們將地址空間進行虛擬頁號(VPN)和虛擬頁偏移量(VPO)劃分,然後對VPN劃分為頁表目錄和頁表索引,我們通過紅色、綠色、藍色由左至右分別代表頁表目錄索引、頁表索引、虛擬頁偏移量即1111 1110  000000,經過如此劃分后,此時前4位(11112 = 1510)為頁表目錄索引,對應上述頁表目錄最後一行,此時頁表目錄幀號為101對應第2個頁表片段,然後根據接下來的4位(11102 = 1410),最終得到索引為倒數第2行,即最終物理頁幀號為55。最後我們通過如下物理地址計算公式

 PhysAddress = (PTE.PFN << SHIFT) + offset

 即最終物理地址為:55 * 2+ 000000 = 352010 = 0XDC016。假設為32位地址空間,那麼頁目錄索引、頁表索引、虛擬頁偏移量分別對應為10、10、12位,那麼對應的2級頁表將是如下形式

簡而言之,對於32位地址空間,會將VPN中的前10位(位22..31)用於索引頁表目錄,緊接下來的10位(12 ..21)用於索引所選的頁表。換言之,對於2級頁表結構其本質是:VPN的前m位為頁表目錄索引,而接下來的n位為頁表索引,同時需要注意的是2級頁表其地址是從上往下增加。根據上述將32位地址空間中的頁表以2級結構劃分,此時第1級頁表大小為(1024 * 4) = 4KB,而第2級頁表為(1024 * 1024 * 4) = 4MB,所以頁表大小將為4KB + 4MB,這麼算來比直接使用單級頁表結構為4MB情況更糟糕了不是嗎,其實情況並不是這樣,如上算出的4KB + 4MB為最極限的情況,上述已經講解過只有經常需要用到的2級頁表才緩存在主存中,所以實際情況下頁表大小會小於4MB。

 

早期操作系統採用的是2級頁表結構,但是現如今大多數操作系統採用多級頁表結構,就像樹一樣,不過是深度或層次更深了而已。假設我們有一個30位虛擬地址空間和一個較小的頁面(512字節),因此,我們的虛擬地址具有21位的虛擬頁號和9位的偏移量,使頁表的每個部分都適合單個頁面是構建多級頁表的目標,但到目前為止,我們僅考慮了頁表本身,如果頁表目錄很大,那該怎麼辦?為了確定一個多級頁表中需要多少級才能使頁表的所有部分用一個頁面容納,我們首先確定一個頁面中可以容納多少個PTE。我們假設給定的頁面大小為512字節,並假設PTE大小為4字節,我們知道在單個頁面上可容納128個PTE。當我們索引到頁表的頁面時,可以得出結論,我們需要使用VPN的最低有效7位(log2128)作為索引

通過確定單頁面需要容納128個PTE,那麼將佔據地址空間7位,那麼還剩下14位地址空間,如果將剩下的214作為頁表目錄, 那麼將橫跨128頁而不再是1頁,那麼對於構建多級頁表的目標將無法實現,為了解決這個問題,我們需要將14位進行再次劃分,將頁表目錄進行設置為多頁,頁表目錄位於上方從而指向另一頁表目錄,因此我們可以進行如下劃分

現在,在索引上層頁表目錄時,我們使用虛擬地址的最高位(圖中PD Index:0),該索引可用於從頂級頁表目錄中獲取頁表目錄的條目,如果有效,則對來自自頂層PDE和VPN的下一部分(PD Index:1)的物理幀號組合來查詢頁表目錄的第二層,最後,如果有效,則為PTE地址通過將頁表索引與第二級PDE中的地址結合使用,可以形成一個地址。 當然這個過程需要做很多工作,所有這些都是為了在多級表中查找物理頁幀號。最終多級頁表結構如下這般

上述我們講過若為64位地址空間,4KB的頁面(212)且每個PTE為4字節,在單級頁表情況下,那麼頁表大小為16TB(4 * 264 / 212)= 16TB,若我們劃分為3級,如下:

 

那麼對於上述外部頁即頁目錄索引將需要佔內存4 * 232 = 16GB,所以我們仍需繼續劃分層級,但是每個層級都有一個額外的間接方式,因此會產生額外的開銷。比如64位地址空間在4KB頁面上將使用大地址空間,所以多級頁表成為具有小頁的大地址空間的內存消耗。 

哈希頁表

處理大於32位地址空間常用的方法是使用哈希頁表(使用稀疏的地址空間),採用虛擬頁碼作為哈希值,對於每一個PTE使用鏈表結構存儲從而解決衝突或碰撞,每個元素由三個字段組成:虛擬頁碼、映射的頁幀、指向鏈表內下一個元素的指針。通過哈希算法將虛擬頁碼映射到哈希頁表,然後將虛擬頁碼與鏈表第一個元素的第一個字段進行比較,若匹配則將第二個字段用來形成物理地址,否則遍歷鏈表查找對應匹配項。哈希頁表如下圖所示

雖然通過哈希頁表查找很快,同時採用如上划重點標記的鏈表數據結構解決衝突問題,雖說消除了條目在內存中連續的需求,但是仍然以更高的內存開銷進行存儲即消耗更多內存,特別是如果頁表是完整的,並且具有有效/無效位以使未使用的條目無效,那麼哈希頁表不再那麼適用,此時我們採用其他方案,如下倒置頁表。

倒置頁表

通過前面內容學習我們知道對於每個進程都有一個關聯的頁表,該進程中的每一個虛擬頁都在頁表中對應一項,不管是否有效,進程通過虛擬地址引用頁,操作系統通過計算虛擬地址在頁表中的位置即PTE,但這種方式有明顯的缺點,如上我們也敘述過,每個頁表可能包含數以百萬計的條目,如此一來,頁表將佔用大量的物理內存以跟蹤其他物理內存是如何使用的,為解決這個問題,我們可以使用倒置頁表(inverted page table),對於每個真正的內存頁,倒置頁表才有一個條目,每個條目包含保存在真正內存位置上的頁的虛擬地址,以及擁有該頁進程的信息,因此,整個系統中所有進程將只有一個頁表,並且每個物理內存的頁只有一個相應的條目,換言之,與知道每個進程的虛擬頁在哪裡相反,現在我們知道擁有哪個物理頁的進程與它對應的虛擬頁。IBM是最早採用倒置頁表的公司,從IBM System 38、RS/6000、到現代的IBM Power CPU。對於IBM  RT,系統的虛擬地址包含三部分:進程Id、頁碼、頁偏移量,每個倒置頁表條目包含兩部分:進程Id、頁碼,這裏的進程Id作為地址空間的標識符,當發生內存引用時,由進程Id和頁碼組成的虛擬地址被提交到內存子系統,然後搜索倒置頁表來尋址匹配,如果找到匹配條目,則生成物理地址,如果未找到匹配條目則為非法地址訪問。 倒置頁表結構如下:

雖然倒置頁表減少了存儲每個頁表所需的內存空間,但是它增加了由於引用頁而查找頁表所需要的時間,由於倒置頁表是按照物理地址排序,而查找則是根據虛擬地址,因此查找匹配可能需要搜索整個表,這種搜索需要耗費很長時間,為解決這個問題,可以使用一個哈希表結構,從而將搜索限制在一個或最多數個頁表條目,當然,每訪問哈希表就增加了一次內存引用,因此每次虛擬地址的引用至少需要兩個內存讀,一個用於哈希表條目,另一個用於頁表條目即PTE,同時結合前面所學,在搜索哈希表之前,肯定先搜索TLB,這樣可大大提高性能。對於倒置頁表還會帶來一個問題,那就是實現共享內存,共享內存需要將多個虛擬地址映射到同一物理地址,很顯然,這種標準的方式無法應用於倒置頁表,因為每一個物理頁只有一個虛擬頁條目,一個物理頁不可能有兩個或多個共享的虛擬地址,所以為解決這個問題,只能允許頁表包含一個虛擬地址到共享物理地址的映射,這也就意味着,對於未映射的虛擬地址的引用勢必會導致頁錯誤。

總結

本節我們非常詳細的討論了多級頁表結構、對於哈希頁表和倒置頁表數據結構通過看圖理解起來非常簡單,從本節內容我們可總結出:對應頁表結構可以擁有良好的時間複雜度或空間複雜度,但不能同時兼得。到此關於虛擬內存重要內容基本上都已囊括,若有遺漏,後續我會繼續進行補充。接下來我們將進入內存管理分頁和分段的學習,講完之後,會陸續進入到程序的執行、進程、死鎖、併發等,相信大家會比較感興趣,感謝您的閱讀,我們下節再見。

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用戶畫像產品化——從零開始搭建實時用戶畫像(六)

在開發好用戶標籤以後,如何將標籤應用到實際其實是一個很重要的問題。只有做好產品的設計才能讓標籤發揮真正的價值,本文將介紹用戶畫像的產品化過程。

一、標籤展示

首先是標籤展示功能,這個主要供業務人員和研發人員使用,是為了更直觀的看見整個的用戶標籤體系。

不同的標籤體系會有不同的層級,那麼這個頁面的設計就需要我們展示成樹狀的結構,方便以後的擴展。

在最後一個層級,比如自然性別,可以設計一個統計頁面,在進入頁面后,可以展示相應的數據統計情況,

可以更直觀看見標籤中值得比例,也可以為業務提供好的建議,另外可以對標籤的具體描述進行展示,起到一個說明的作用,還可以展示標籤按天的波動情況,觀察標籤的變化情況。

這一部分的數據來源呢?之前也提到過,這些標籤的元數據信息都存在mysql中,方便我們查詢。

所以樹狀圖和標籤描述信息需要去mysql中獲取,而比例等圖表數據則是從Hbase,Hive中查詢獲取的,當然也有直接通過ES獲取的。但是每天的標籤歷史波動情況,還是要通過每天跑完標籤后存在mysql中作為歷史記錄進行展示。

二 、標籤查詢

這一功能可以提供給研發人員和業務人員使用。

標籤查詢功能其實就是對用戶進行全局畫像的過程,對於一個用戶的全量標籤信息,我們是需要對其進行展示的。

輸入用戶id后,可以查看該用戶的屬性信息、行為信息、風控屬性等信息。從多方位了解一個具體的用戶特徵。

這些已經是標籤的具體信息了,由於是對單一id的查找,從hive中獲取會造成查詢速度的問題,所以我們更建議從Hbase或者ES中查詢獲取,這樣查詢效率和實時性都能獲得極大的提升。

三、標籤管理

這一功能是提供給研發人員使用的。

對於標籤,不能每一次新增一個標籤都進行非常大改動,這樣是非常耗費人力的,所以必須要有可以對標籤進行管理的功能。

這裏定義了標籤的基本信息,開發方式,開發人員等等,在完成標籤的開發以後,直接在此頁面對標籤進行錄入,就可以完成標籤的上線工作,讓業務人員可以對標籤進行使用。

新增和編輯標籤的頁面,可以提供下拉框或者輸入框提供信息錄入的功能。

之前已經提到過,這些標籤的元數據信息都保存在了Mysql中,只要完成對其的新增和修改就可以了。

四、用戶分群

作為用戶畫像最核心的功能,用戶分群功能。是用戶畫像與業務系統建立聯繫的橋樑,也是用戶畫像的價值所在。

這項功能主要供業務人員使用。

此功能允許用戶自定義的圈定一部分人員,圈定的規則就是對於標籤的條件約束。

在圈定好人群以後,可以對這部分人群提供與業務系統的外呼系統,客服系統,廣告系統,Push系統的交互,達到真正的精細化運營的目的。

對於標籤規則的判斷,需要將記錄好的規則存儲於Mysql中,在進行人群計算時又需要將規則解析成可計算的邏輯。不管是解析成Sql或者其他的查詢語言都難度巨大,這對於研發是一個非常大的挑戰。

在此功能中,還可以增加人群對比的功能,對不同人群的不同標籤進行圈定,對比。這對於查詢性能也是一個巨大的考驗。

但是,用戶分群功能作為用戶畫像的核心是我們必須要實現的。對於技術架構,Hbase更擅長與KV形式的查詢,對於多維度查詢性能較差,所以可以採取ES索引,在ES查詢出Hbase的Rowkey,再去查詢Hbase的方式。也有很多公司選擇整體遷移到ES中完成此項工作。那麼ES可以勝任這項工作嗎?

下一章,我們來聊一聊如何用ES來實現用戶分群,未完待續~

參考文獻

《用戶畫像:方法論與工程化解決方案》

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瑞典環保少女啟發 泰年輕人投身氣候變遷運動

摘錄自2019年12月01日中央通訊社泰國報導

受到16歲瑞典環保少女童貝里(Greta Thunberg)啟發,一群泰國年輕人起身組織氣候變遷抗議活動,希望喚起泰國人重視環保議題,目前已有越來越多年輕人加入他們的行列。這場活動是由一群年紀約20歲的泰國年輕人發起的,沒有政黨色彩,沒有強大的組織,主要發起人是年僅22歲、剛從大學畢業的楠緹查(Nanticha Ocharoenchai)。

日前在曼谷市中心的是樂園(Lumpini Park)有一場特別的抗議活動,上百人高舉著「氣候變遷比功課還糟糕」、「如果不停止的話我們都會死」、「這是我們的未來」、「改變正在發生」等標語,並高喊「我們現在就要行動!」等口號,上百人隨後躺在是樂園的地上,代表這塊土地受到氣候變遷的衝擊,正在逐漸衰亡。

根據世界銀行在9月發布的報告,曼谷每年都在下沉,估計到2030年,曼谷有40%的土地會被水淹沒。

這個活動的目標就是希望泰國政府採取行動,也希望喚起更多泰國人關心氣候變遷的議題,因此參與這場抗議活動的除了大人,還有很多曼谷各區的大學生、中學生甚至小學生。被朋友暱稱為琳(Lynn)的楠緹查和她的團隊今年已經第4次在泰國發起這樣的抗議活動,從一開始僅50多人到這次的上百人,越來越多人注意到氣候變遷議題。

琳曾經發信給泰國自然資源和環境部(Ministry of Natural Resources and Environment),呼籲泰國政府承諾減少煤炭使用量,並且在2025年提高使用再生能源佔全部能源的比例達50%,2040年可以達到100%使用再生能源。

琳關心氣候變遷議題已經3、4年時間,但直到今年,她決定發起實際行動,希望帶來更多改變。她說,有越來越多的年輕人願意加入他們,他們也得到政府部門和大企業的正面回應。

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氣候峰會前歐亞示威者上街 籲當局對抗暖化

摘錄自2019年11月30日中央通訊社德國報導

全球有成千上萬示威者今天走上街頭,歐洲和亞洲占多數,呼籲當局採取行動對抗全球暖化,期望在聯合國(UN)氣候峰會展開的數日前,向全球領導者施壓。

抗議民眾舉著看板寫著「一個地球,一場抗爭」和「海平面在湧升,我們也湧入街頭」。數以千計的群眾聚集在柏林布蘭登堡大門(Brandenburg)參與最新一場「週五為未來而戰」(Fridays for Future)抗議行動,受16歲瑞典環保少女童貝里(Greta Thunberg)先前發起的同名運動啟發。

「週五為未來而戰」運動表示,德國各地超過500座城市,總共有約63萬人上街示威。德國警方表示,光是漢堡就聚集3萬人左右,大多是年輕人,而慕尼黑則集結1萬7000人,他們為了平均地表溫度逐漸上發出警告。

童貝里正搭乘帆船橫渡大西洋,並在推特上傳她舉著寫有「為氣候罷課」標語看板的圖片。這次示威浪潮席捲全歐洲,不過規模仍小於9月「氣候大罷課」的規模。當時籌辦方表示,全球各大城市約400萬人佔據街頭。

為期12天的聯合國氣候變化綱要公約第25次締約方會議(COP25)將於下周展開,目標是鼓勵各國政府減少溫室氣體排放和對抗氣候變遷。這次COP25主辦城市馬德里今天有約1700名示威人士參與。

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亞馬遜經濟開發引衝突 NGO不畏強權抗爭多年

摘錄自2019年11月30日中央通訊社巴西報導

環境保護與經濟發展孰輕孰重一直是受到矚目的議題。巴西亞馬遜雨林主要觀光目的地之一Alter do Chao聚落一直受到開發商青睞,當地NGO不畏強權,守護土地,抗爭多年。

巴西北部巴拉州刑警3天前拘捕Alter do Chao社區消防隊4名志工消防員,指控他們在亞馬遜雨林故意製造火災,以獲取國際金援,引起當地社運人士、原住民和環保團體抗議。

在近百個非政府組織(NGO)聯合施壓下,巴西法院昨天(29日)傍晚下令釋放這4名協助撲滅該地區森林火災的非政府組織Alter do Chao社區消防隊成員,但當地與非政府組織的緊張關係已經持續幾10年。

桑塔林觀光局指出,2018年約19萬名遊客造訪Alter do Chao。該地區的旅遊熱潮使村莊周圍地區,房地產開發商具有強烈的開發興趣。一方面,有強大的地方家族勢力和企業家主張在以清澈的河水和白色的沙灘而聞名的塔巴鳩斯(Tapajos)河沿岸建造大型酒店和度假村。另一方面,社運人士、例如與被逮捕的Alter do Chao社區消防隊有聯繫的環保團體,則主張對環境衝擊較小的旅遊業,以保留該區域的特點,並防止傳統社區被驅逐趕離。

巴拉聯邦大學(Ufpa)社會學家托瑞斯(Mauricio Torres)指出,Alter do Chao的爭議邏輯不同於亞馬遜其他區域,當地的旅遊文化、環境保護與經濟開發衝突,才是促成逮捕志工消防員的真實背景。

托瑞斯說,這是屬於一個一直在擴大發展的城市的衝突,有傳統社區面臨被驅逐趕離的壓力,但幕後推手不是木材商或農牧場,而是聚焦於旅遊業的房地產投機與開發。

有論點指出,巴拉州刑警對志工人員進行預防性拘留,指控他們自行引發火災,之後加以撲滅,以獲取國際機構的金援。但一名不願具名、害怕遭到報復的聯邦公務員告訴巴西媒體,社運人士、大學生和原住民強烈反對,致使提案沒有取得進展,所以在當地活動的環保團體都相信逮捕志工消防員的行動含政治動機。巴拉州長巴爾巴柳(Helder Barbalho)昨天已宣布撤換負責此案的警長,並質疑行動的合法性。

聯邦檢察廳自2015年以來進行的調查指出,非法佔領土地和房地產投機,是導致Alter do Chao環境退化的因素,「由於該地區是巴西最著名的度假勝地之一,成為旅遊和房地產業的爭相競奪的目標,且經常受到公共土地入侵者的壓力。」

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環境資訊中心外電;范震華 翻譯;賴慧玲 審校;稿源:Mongabay

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編譯:嚴融怡(胡適國小創思組科任教師)

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控制暖化不超過2°C 燃煤電廠需大規模改建更新 | 解讀《 2019年世界能源展望》報告1/3

環境資訊中心外電;姜唯 翻譯;林大利 審校;稿源:Carbon Brief

國際能源署(IEA)13日發表報告。報告中指出,全球能源系統正在進行「深層更新」,但儘管如此,除非積極度再提升,否則全球的二氧化碳排放量還是會繼續增長數十年。

今年810頁版本的特點在於「承諾政策情境(Stated Policies Scenario, STEPS)」(以前稱為「新政策情境」),反映政府已經說出口的政策的效果。風能和太陽能的激增將使再生能源滿足全球能源需求的大部分成長。但是煤炭的平穩發展,加上對石油和天然氣的需求不斷增加,全球排放量在到2040年的展望期內將繼續上升。

相對地,報告的「永續發展情境(Sustainable Development Scenario, SDS)」描繪出有50%機率將升溫限制在1.65°C內所需的條件,IEA表示這是「完全符合巴黎協定」的情況。

報告說,SDS需要投資「大量重新分配」,從化石燃料轉向效率和再生能源、淘汰全球約一半的燃煤電廠,以及全球經濟的其他變化。

IEA今年還探討了將升溫限制在工業化前1.5°C內(即巴黎協定的理想目標)所需條件,不過沒有建立詳細模型。

未來情境

《世界能源展望》(WEO)是這個主題的年度出版物中審查最嚴格的報告之一。長達數百頁的分析以世界各國政府的數千個資料庫和IEA的世界能源模型為基礎。

IEA表示報告沒有對前景預測。相反地,它以二氧化碳排放量和其他資料形式呈現了特定能源選擇的後果。該報告說明道:

「《世界能源展望》的目的不是提供一個關於2030年或2040年世界能源將在何處的觀點。這將取決於未來的各種重大選擇。 WEO-2019的目的是,提供決策者制訂新政策、考慮新投資或以其他方式塑造能源未來時所需的資訊。透過探索各種可能的未來、實現的方式、不同選擇的後果以及一些關鍵的不確定性來做到這一點。」

引言中介紹了三種可能的「前景」,在報告發表前,部落格文章「了解WEO情境」也提前對此做了說明。

展望報告的中心觀點是「STEPS」,它的目的是「在不預期未來有所改變的情況下,讓政策制定者好好審視自己的計畫和積極度會有何表現」,包括政府做出的巴黎氣候承諾。不過,IEA並不認為所有政策目標都會實現:

「積極度不會自動被納入情境中:徹底落實不是理所當然的,因此政策落實的前景和時機是以我們對相關監管、市場、基礎建設和財務限制的評估為基礎。」

承諾政策包括零排放淨目標,如英國的目標。 IEA表示,已商定或討論中的類似目標(包括歐盟)涵蓋了全球排放量的12%。就解決全球排放而言,這些目標很重要,但不是決定性的。IEA表示,為實現零排放目標而開發的技術和方法可能會產生更大的連鎖反應,這可能有助於其他國家減少排放。

WEO的第二個未來情境是「永續發展情境(SDS)」。這個情境從能源獲取、空氣污染和碳排放方面的永續發展目標開始,探討達到目標所需的條件。

最後,在「當前政策情境(Current Policies Scenario, CPS)」中,政府放棄其承諾目標和意圖,能源系統僅以已經制定好的政策和法律為指導。

今年的報告文字、圖表和數據將繼續提到CPS,只是重要性較低,「當前政策情境」這個詞在810頁中僅使用了102次,遠少於STEPS的793次和SDS的535次。報告也說明,CPS就是不採取行動的後果,可看出STEPS情境所需的額外努力。

(2010年《世界經濟展望》 中,CPS被提及了340次,而當時的中心觀點NPS出現981次,「450種情境」出現745次。)

需求上升

IEA表示,根據全球已承諾的計畫和政策,到2040年,全球能源需求將繼續每年增長1%,相當於中國目前的總需求量。

根據國際貨幣基金組織(IMF)的預測,人口增加(根據聯合國的「中等」預測,2040年將達到90億人口)和經濟持續擴大(全球GDP每年增加3.4%)推動了這個成長。

IEA表示,由於產業轉向低能耗,能源效率的提高和「飽和效應」(如汽車需求封頂),2019年能源需求的成長率大約是2000年以來平均2%的一半。

如下圖中的紅線所示,STEPS中再生能源將滿足約49%的需求增長。天然氣的使用也預期將迅速增加(藍色),超過煤炭成為僅次於石油的第二大能源,並滿足總體需求增長的三分之一。

1990年至2040年全球各類型能源需求量,單位是數百萬噸石油當量。未來需求預測以STEPS為基礎。其他再生能源包括太陽能、風能、地熱能和海洋能。資料來源:國際能源署《 2019年世界能源展望》。Carbon Brief使用Highcharts繪製圖表。

與天然氣和再生能源的快速發展相比,IEA STEPS情境預測煤炭使用量將達到平穩,然後從今日的水平略降(上方黑線)。這呼應去年的分析,即全球煤炭需求在2014年達到頂峰。

IEA現在還建議,由於汽車燃油效率的提高和電動汽車(EV)的增加,到2030年(橙色線)石油需求將開始趨於穩定,這將使汽車的石油需求在2020年代末期達到峰值。報告說,由於電動汽車成本下降,傳統汽車的未來將是值得深思的問題。

IEA表示,貨運、航運、航空和化學產品的石油需求「持續增長」,SUV因日益普及,成為另一個潛在的需求支撐因素。(值得注意的是,阿拉伯國家石油公司的股票銷售文件也顯示,全球石油需求將從2035年左右開始趨於穩定。)

根據IEA STEPS,到2040年,全球能源需求增長的三分之二來自亞太地區。印度成為世界上人口最多的國家,其能源需求成長一倍,成為全球需求成長的最大貢獻者,佔成長總量的四分之一以上。

在這一總數中,STEPS預測亞洲國家對煤炭的需求增加抵消了美國和歐洲的大幅減少。IEA說:

「煤炭需求來自大多數亞洲發展中國家:在煤基礎設施方面的新投資決策已顯著放緩,但是現有的煤電廠和用煤工廠還是很多……為煤炭提供了可觀的發展動力。」

比例變動

STEPS之下,到2040年,再生能源的興起體現了IEA所形容的「深層更新」,但同時也指出了全球能源系統「變動緩慢」的特性,如煤炭長期的需求高原。

需求成長的比例變化顯示在下面圖表中,煤炭、石油和天然氣(藍色色塊)滿足了能源史上的大部分成長(最左欄)。

儘管STEPS之下,再生能源能滿足2040年需求成長一半,而且成長速度因為經濟因素和能源效率變化而放慢(中間欄),但它仍然遠遠沒有限制全球碳排放量(參閱下文)。

如果要阻止全球氣溫上升,需要有更具決定性的變化,如實現IEA SDS(最右欄)。

全球能源需求年均變化量,以百萬噸石油當量為單位。左:歷史變化。中:IEA STEPS。右:IEA SDS。資料來源:國際能源署《 2019年世界能源展望》 。Carbon Brief使用Highcharts繪製。

在STEPS之下可見再生能源所能滿足的需求成長越來越多,化石燃料在全球能源用量的比例將從2018年的81%下降到2040年的74%,SDS之下則下降到58%。

從STEPS到SDS的需要大規模的變革,其中大多數已經在決策者的議程中很久了。報告解釋:

「2018年化石燃料消費補貼的全球價值,幾乎是再生能源和電動汽車補貼以及全球碳定價計畫收入總和的兩倍。這種不平衡使排放儘早達到峰值的任務變得十分複雜。」

SDS之下,2030年代無碳捕集的化石燃料投資將減少至2014年到2018年平均的一半,再生能源、電網和核能方面的投資將翻倍,而在能源效率上的支出將翻兩倍。

IEA表示,這反映了一個事實,即能源效率是解決排放的最重要因素,這表示SDS下2040年的總體需求會略低於今日的水平。

IEA說「提高能源效率很有機會讓全世界實現永續能源目標」,它召集了「全球能源效率緊急行動委員會」來促成進展。

某種程度上這是對數據的回應,數據顯示效率的改善正在放緩,2018年的效率成長率是2010年以來最低的,這「疲軟的氣力」直得「深切關注」。IEA表示「新能源效率政策和加強現有措施的努力相對缺乏」。

較低的需求會帶來連鎖反應,特別是加上再生能源的快速成長。值得注意的是,在SDS之下,對煤炭、石油和天然氣的需求逐漸下降,而煤炭減幅特別大(上方最右欄中的灰色部分)。

在這個總數中,IEA說,電業的煤炭用量受影響最大。到2040年,超過一半的當前燃煤電廠將退役,規模大於全中國目前的容量。

有半數的退役發生在壽命結束之前,如果將升溫保持在2°C以下,那麼投資於全球現有煤電廠的10億美元中,有部分將面臨風險。歐洲222GW燃煤中有約98%、美國276GW中約88%將關閉。

IEA說,在SDS之下,剩餘的燃煤電廠大部分必須「改建或翻新」。他們得在需求高峰和再生能源產出低谷期間運作有限的時間,不然就得大量投資碳捕集與封存(CCS)技術來減排。

今年的展望報告包含了對煤炭開採過程中釋放的甲烷的新分析。分析結果說明,與航空和航運業相比,煤炭開採的暖化效應更大。(1/3,)

‘Profound shifts’ underway in energy system, says IEA World Energy Outlook (1/3) by Simon Evans

The world’s CO2 emissions are set to continue rising for decades unless there is greater ambition on climate change, despite the “profound shifts” already underway in the global energy system.

That is one of the key messages from the International Energy Agency’s (IEA) , published today. This year’s 810-page edition is notable for its renamed central “Stated Policies Scenario” (STEPS), formerly known as the “New Policies Scenario”.

In this scenario, which aims to mirror the outcome of policies already set out by governments, a surge in wind and solar power would see renewable sources of energy meeting the majority of increases in global energy demand. But a plateau for coal, along with rising demand for oil and gas, would mean global emissions continue to rise throughout the outlook period to 2040.

In contrast, the report’s “Sustainable Development Scenario” (SDS) sets out what would be required to give a 50% chance of limiting warming to 1.65C, which the IEA describes as “fully in line with the Paris Agreement”.

It says the SDS would require a “significant reallocation” of investment away from fossil fuels towards efficiency and renewables, as well as the retirement of around half the world’s fleet of coal-fired power stations and other changes across the global economy.

The IEA has this year also explored, but not modelled in detail, what it would take to limit warming to no more than 1.5C above pre-industrial temperatures, the aspirational goal of the Paris Agreement.

Future scenarios

The World Energy Outlook (WEO) is one of the most heavily scrutinised documents in the annual calendar of publications on the topic. Its hundreds of pages of analysis are based on thousands of datapoints, drawn from governments around the world, as well as the IEA’s .

The IEA says that it does not make forecasts in its outlook. Instead, it presents the consequences of societal energy “choices” in terms of CO2 emissions and other outcomes. The report explains:

“The World Energy Outlook does not aim to provide a view on where the energy world will be in 2030 or 2040. This will depend on hugely important choices that lie ahead. What the WEO-2019 does aim to do is to inform decision-makers as they design new policies or consider new investments or shape our energy future in other ways. It does so by exploring various possible futures, the ways that they come about, the consequences of different choices and some of the key uncertainties.”

The outlook spans three alternative “futures”, set out in the introduction and described in a , published ahead of the report’s release, on “understanding the WEO scenarios”.

The outlook’s central scenario is STEPS, which has “the intention to ‘hold up a mirror’ to the plans and ambitions announced by policymakers without trying to anticipate how these plans might change in future”. This includes the made by governments. The IEA does not assume that all policy goals will be met, however:

“[A]mbitions are not automatically incorporated into the scenario: full implementation cannot be taken for granted, so the prospects and timing for their realisation are based upon our assessment of the relevant regulatory, market, infrastructure and financial constraints.”

Stated policies include some net-zero emissions goals, such as . Similar goals agreed or under discussion, including in the EU, cover 12% of global emissions, the IEA says. This makes the targets significant, but not decisive, in terms of tackling the global emissions. But the IEA says there could be larger knock-on effects due to the technologies and approaches developed to meet net-zero targets, which could help others to also cut emissions.

The second WEO future is the “Sustainable Development Scenario” or SDS. This is a different type of scenario that starts from on energy access, air pollution and CO2 emissions before working backwards to show what would be needed to reach them.

Finally, the “Current Policies Scenario” (CPS) would see governments renege on their stated goals and intentions, with the energy system guided only by policies and laws that are already in place.

This year’s outlook continues to feature the CPS in its text, charts and data. But it is afforded lower priority, with the phrase “current policies scenario” used 102 times over 810 pages – far less often than the 793 mentions of the STEPS or the 535 for the SDS. The outlook says the CPS highlights the consequences of inaction and the level of effort required to meet even the STEPS pathway.

(For comparison, the CPS is mentioned 340 times in the , against 981 uses of the then-central NPS and 745 mentions of the “450 scenario”.)

Rising demand

On the basis of stated plans and policies around the world, the IEA says that global energy needs will continue to rise by 1% per year until 2040, adding demand equivalent to China’s current total.

This growth is driven by a rising population – based on the UN’s to reach 9 billion people by 2040 – and an expanding economy, with global GDP increasing by 3.4% a year, per projections.

The rate of energy demand growth is around half the average rate of 2% seen since 2000, the IEA says, due to shifts towards less energy-intensive industries, energy efficiency gains and “saturation effects” – for example, where demand for cars reaches a peak.

Some 49% of demand growth would be met by renewables in the STEPS, as shown with the red line in the chart, below. Gas use is also expected to rise rapidly (blue), overtaking coal to become the second-largest source of energy after oil and meeting a third of the rise in overall demand.

Global primary energy demand by fuel, millions of tonnes of oil equivalent, between 1990 and 2040. Future demand is based on the STEPS. Other renewables includes solar, wind, geothermal and marine. Source: IEA . Chart by Carbon Brief using .

In contrast to the rapid gains for gas and renewables, the IEA STEPS sees coal use plateau and then decline slightly from today’s levels (black line above). This confirms last year’s analysis that global coal demand peaked in 2014.

The IEA now also suggests that oil demand will start to level off by the 2030s (orange line) as a result of vehicle fuel-efficiency gains and the rise of electric vehicles (EVs), which see passenger car oil demand peak in the “late 2020s”. There are “profound questions” over the future of conventional cars, it says, given falling costs for EVs.

Oil demand for freight, shipping, aviation and chemicals “continues to grow”, the IEA says, with the growing popularity of SUVs another potential factor propping up demand. (Notably, documentation for the Saudi Aramco share sale also has global oil demand levelling off from around 2035.)

The global rise of SUVs is challenging efforts to reduce emissions.

If the appetite for heavier & bigger cars continues to grow at a similar pace to the past decade, this would add nearly 2m barrels a day in global oil demand by 2040.

4/

— Fatih Birol (@IEABirol)

Some two-thirds of the increase in global energy demand to 2040 comes from the Asia Pacific region, under the IEA STEPS. India becomes the country and its energy demand doubles, making it the single largest contributor to global growth and accounting for more than a quarter of the total increase.

Within this total, the STEPS sees rising offset large declines in the US and Europe. The IEA says:

“Coal is the incumbent in most developing Asian countries: new investment decisions in coal-using infrastructure have slowed sharply, but the large stock of existing coal-using power plants and factories…provides coal with considerable staying power in the STEPS.”

Shifting shares

The rise of renewables anticipated under the STEPS to 2040 is demonstrative of the “profound shifts” described by the IEA, yet it also points to the “slow moving” nature of the global energy system, as exemplified by the long, high plateau in demand for coal.

These shifting shares of demand growth are shown in the chart, below, with coal, oil and gas (shades of blue) having met most of the historical increases in energy use (leftmost columns).

While the STEPS maps a future where renewables meet half of the increase in demand to 2040, and the pace of growth slows due to shifting economic factors and energy efficiency (central columns), it remains well short of putting a cap on global CO2 emissions (see discussion below).

If increases in global temperatures are to be stopped, then even more decisive changes will be required, as shown in the example of the IEA SDS (rightmost columns).

Average annual change in global energy demand, by fuel, million tonnes of oil equivalent. Left: historical changes. Centre: IEA STEPS. Right: IEA SDS. Source: IEA . Chart by Carbon Brief using .

The rising portion of demand growth met by renewables sees the fossil fuel share of global energy use decline from 81% in 2018 to 74% in 2040 under the STEPS, or 58% under the SDS.

Moving from the STEPS to the SDS will require a wide range of changes, most of which have long been on the agenda for policymakers. As the report explains:

“The global value of fossil fuel consumption subsidies in 2018 was almost double the combined value of subsidies to renewable energy and electric vehicles and the revenue from carbon pricing schemes around the world. This imbalance greatly complicates the task of achieving an early peak in emissions.”

By the 2030s, investment in fossil fuels without carbon capture would halve in the SDS, relative to the average during 2014-2018. At the same time, investment in renewables, electricity networks and nuclear would roughly double and spending on energy efficiency would nearly quadruple.

This reflects the fact that energy efficiency is the single most important factor in tackling emissions, the IEA says, meaning that overall demand in 2040 under the SDS is slightly below today’s levels.

It says “the potential for efficiency improvements to help the world meet its sustainable energy goals is massive” and it has convened a to boost progress.

In part, this is a response to data showing that efficiency improvements are drying up and 2018 saw the , with this “faltering momentum” a cause for “deep concern”. It cites “a relative lack of new energy efficiency policies and of efforts to tighten existing measures”.

The World Energy Outlook is out today and shows once again the critical role of energy efficiency for achieving carbon goals.

— Jan Rosenow (@janrosenow)

Lower demand has knock-on consequences, particularly when combined with more rapid growth from renewables. Notably, demand for coal, oil and gas progressively declines under the SDS, with coal facing particularly large reductions (grey chunks in the rightmost columns, above).

Within this total, the IEA suggests that coal use in the power sector would be hardest hit. It says that more than half of current coal-fired power stations would retire by 2040 in the SDS, representing a fleet larger than .

With half of retirements coming before the end of their useful lives, some of the $1tn of capital invested in the world’s existing coal fleet would be put at risk, if warming is kept below 2C. Some 98% of the 222 gigawatts (GW) of coal in Europe and 88% of the 276GW in the US would close.

Under the SDS, the remaining coal plants would mostly need to be “repurposed or retrofitted”, the IEA says. This means they would either operate limited hours, during peaks in demand and troughs in renewable output, or would face substantial investments to fit (CCS) technology to prevent their CO2 emissions.

This year’s outlook contains new analysis on the methane released during coal mining, which it suggests has a greater warming impact than .

※ 全文及圖片詳見:()

作者

如果有一件事是重要的,如果能為孩子實現一個願望,那就是人類與大自然和諧共存。

於特有生物研究保育中心服務,小鳥和棲地是主要的研究對象。是龜毛的讀者,認為龜毛是探索世界的美德。

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印度海灘白色毒泡沫 釀新一波污染危機

摘錄自2019年12月02日中央通訊社報導

印度坦米爾那都省(Tamil Nadu)首府清奈(Chennai)著名的馬利納海灘(Marina Beach)今天(2日)連續第4天被白色泡沫覆蓋,造成印度新一波污染危機。

法新社報導,即使泡沫散發出陣陣刺鼻氣味,孩子們仍在海灘上的白色泡沫堆裡玩耍和自拍。漁民則被告知不要前往附近海域。醫生警告,白色泡沫可能引發皮膚問題。這些泡沫形成於每年季風季,但今年的「毒泡沫」危機特別嚴重。

坦米爾那都省污染控制局(Tamil Nadu Pollution Control Board)表示,他們正在分析泡沫樣本。這些泡沫蔓延海灘數公里。清奈印度國家海岸研究中心(National Centre for Coastal Research)科學家米西拉(Pravakar Mishra)指出:「民眾接觸泡沫絕對不好,但他們就是不了解風險。」

根據米西拉的說法,大部分泡沫是由洗滌劑殘留物和其他廢棄物混合而成。

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