计算和云的惊人生态影响

人类学家史蒂文·冈萨雷斯·蒙塞拉特（Steven Gonzalez Monserrate）利用五年来在服务器农场进行的研究和人种学实地调查来说明数据存储对环境的一些不同影响。

去年，麻省理工学院（MIT）的施瓦茨曼计算学院（Schwarzman College of Computing）推出了一个特别委托的系列，旨在应对计算时代的机遇和挑战。麻省理工学院《计算的社会和道德责任案例研究》（SERC）系列以主题领域专家的同行评议、免费提供的案例为特色，向读者介绍有关计算、数据和社会的一系列问题。一些案例密切关注特定技术，另一些案例关注跨技术平台的趋势。还有一些人研究社会、历史、哲学、法律和文化方面，这些方面对于批判性地思考当今计算机和数据科学的努力及其在更广泛世界中的作用至关重要。

下面的文章，摘自人类学家史蒂文·冈萨雷斯·蒙塞拉特（Steven Gonzales Monserrate）的案例研究《云是物质：对计算和数据存储的环境影响》（The Cloud Is Material:On The Environmental Impact of computing and Data Storage），该研究将我们带入数据中心闪烁的走廊，使数字产业成为可能，并明确了现代生活中无处不在的计算的环境成本-编辑们

屏幕随着文字的流动而变亮。也许它们是在智能设备上匆匆涂鸦的电子邮件，或者是在朋友或家人之间交换的充满表情符号的信息。在2019冠状病毒疾病的同一条河流上，数百万人涌向他们喜爱的电视节目，或是流色情作品，或是进入大型多人在线角色扮演游戏，或者只是简单地查找一个模糊的单词的含义或最近的COVID-19测试中心的位置。

无论你的疑问、愿望或目的是什么，互联网都提供了，从拆箱视频到自己动手博客的所有复杂性都包含在无限复杂的比特串中。当它们以光速穿越时间和空间，在比人类头发还细的光纤电缆中穿越我们的海洋时，这些密集的信息包、像素或字符的指令或编码为1和0的帧，将被解开，创造出你面前的数字贴面。你读到的文字是进入一个被许多人称为“云”的虚幻王国的入口

虽然在技术术语中，“云”可能指的是通过网络汇集计算资源，但在流行文化中，“云”已经意味着并涵盖了使在线活动成为可能的所有基础设施，从Instagram到Hulu再到Google Drive。就像漂浮在晴朗蓝天上的蓬松积云，拒绝保持坚实的形状或形式，数字云是难以捉摸的，其内部运作对更广泛的公众来说基本上是神秘的，麻省理工学院控制论专家诺伯特·韦纳（Norbert Weiner）曾称之为“黑匣子”的一个例子但正如我们头顶上的云，无论它们看起来多么无形或空灵，实际上都是由物质构成的，数字云也是无情的物质。

为了解决云问题，我们必须解开同轴电缆、光纤管、蜂窝塔、空调、配电装置、变压器、水管、计算机服务器等线圈。我们必须关注支撑我们数字生活的电、水、空气、热、金属、矿物和稀土元素的物质流。这样一来，云不仅是物质，也是一种生态力量。随着其不断扩张，其对环境的影响也在增加，尽管其基础设施背后的工程师、技术人员和高管努力在盈利能力和可持续性之间取得平衡。这种困境在云内容所在的基础设施的墙壁上最为明显：存储数据的工厂库和汇集计算能力以保持我们的云应用程序正常运行的计算库。

事发时已是凌晨四点。那一刻，我蜷缩在数据中心的一个封闭通道的地板上，计算机像书架一样排列在我两侧的图书馆里。服务器风扇的喧闹声让我几乎无法听到我跟踪的高级技术人员汤姆向我解释如何撬开有故障的地砖。我用一种专门的工具从铰链上取下白色的方形瓷砖，注意到它的表面上刻着微小的穿孔，这些孔是用来帮助冷空气从我们下面一个巨大的、加压的腔体“增压室”中涌出的入口点我把瓷砖放在一边，感觉一阵寒意从暴露在外的地板下的通风系统中袭来，刺痛了我的鼻子。我开始更换瓷砖，使用一个带有更多槽口的瓷砖来改善流向这一密集计算设备集群的气流。这时我听到警报响了。在闪烁的绿色和蓝色灯光的海洋中，整个电脑机架突然闪烁黄色，几秒钟后，预感红色。就在那一刻，恐慌席卷了汤姆的脸，他也脸红了，因为他争先恐后地控制着我们周围发生的灾难。

“它们过热了，”汤姆在检查热传感器时说，汗水从额头上滴下来。

我感到空气中弥漫着热气。大量的热量渗入服务器的速度比印制在其电路板上的散热器减弱的速度快，比风扇在失控的加热反馈回路中排出热空气循环的速度快。自动关机程序开始了，汤姆咒骂着，提醒我，每一分钟的停机，每一次服务中断，都可能让公司损失数千美元。然而，在两分钟内，三台在待机状态下空转的大型空调机组启动到最大功率，房间里充满了北极寒冷，并恢复了混乱场景的秩序。

在上面的小插曲中，我引用了我的人种学田野笔记，讲述了一个数据中心技术人员称之为“热失控事件”的事件，这是一个冷却系统的级联故障，中断了处理、存储和促进在线一切的服务器的功能。如本例所示，数字产业的分子摩擦以难以控制的热度扩散。我们的数字查询和交易的碎片和碎片，以及四处飞舞的电子流，温暖了空气。热量是计算的废物，如果不加以控制，它将成为数字文明运作的陪衬。因此，必须毫不留情地减少热量，以保持数字音乐引擎每天24小时处于恒定状态。

为了平息这一热力学威胁，数据中心主要依靠空调，这是一种机械过程，可以制冷气体介质空气，从而将危险的热量从计算机中排出或带走。如今，即使是最先进的数据中心，耗电巨大的机房空调（CRAC）或机房空气处理器（CRAH）也已成为主要设备。在北美，大多数数据中心都从“肮脏”的电网中获取电力，尤其是在弗吉尼亚州的“数据中心巷”，2019年，这里拥有全球70%的互联网流量。为了冷却，云燃烧碳，杰弗里·莫罗称之为“元素讽刺”如今，在大多数数据中心，冷却占用电量的40%以上。

虽然一些最先进的“超规模”数据中心，如谷歌、脸谱网和亚马逊所维护的，已经承诺通过碳抵消和投资可再生能源基础设施如风能和太阳能，将其网站转变为碳中和的。我观察到，许多规模较小的数据中心缺乏资源和资本，无法实施类似的可持续发展计划。规模较小的传统数据中心通常建在老建筑内，这些建筑无法针对不断变化的电力、冷却和数据存储容量需求进行优化。自超规模设施出现以来，许多公司、大学和其他运营自己的小型数据中心的公司已经开始将数据传输到超规模设备或云托管设施，理由是能源成本降低。

根据劳伦斯·伯克利国家实验室的一份报告，如果整个云转移到超尺度设施，能源使用量可能会下降25%。如果没有任何监管机构或机构来激励或强制实施我们基础设施配置的这种转变，那么已经提出了其他解决方案来遏制云的碳问题。一些人提议将数据中心迁移到冰岛或瑞典等北欧国家，以利用周围的冷空气来减少碳足迹，这项技术被称为“免费冷却”然而，网络信号延迟问题使得绿色数据中心的天堂梦想在很大程度上无法满足更广泛世界的计算和数据存储需求。

因此，云现在比航空业的碳足迹更大。一个数据中心可以消耗相当于50000户家庭的电力。数据中心以每年200太瓦时（TWh）的速度消耗的能源总量超过了一些国家。如今，数据中心使用的电力占总碳排放量的0.3%，如果我们将计算范围扩大到笔记本电脑、智能手机和平板电脑等网络设备，总碳排放量将增加到全球的2%。

为什么这么多能量？除了冷却，数据中心的能源需求是巨大的。为了满足客户的承诺，即他们的数据和云服务将随时随地可用，数据中心被设计为超冗余：如果一个系统出现故障，另一个系统随时准备取代它，以防止用户体验中断。就像Tom的空调在低功率状态下空转，当事情变得太热时准备加速一样，数据中心是一个冗余的俄罗斯玩偶：柴油发电机等冗余电力系统，冗余服务器准备在其他服务器意外不可用时接管计算过程，等等。在某些情况下，只有6%到12%的能耗用于活跃的计算过程。其余部分用于冷却和维护一系列冗余故障保护装置，以避免代价高昂的停机时间。

现在是亚利桑那州的7月下旬。在这无云的日子里，太阳又白又热。当我跟随初级技术人员杰里米来到数据中心后面的空地时，我觉得它灼伤了我的后颈，那里有几十个集装箱排成一行。在这117度的热浪中，我们的任务是修复一个出现故障的蒸发冷却系统。在进入运输集装箱之前，我们松开了其中一个外部面板上的螺钉，我很惊讶地得知这实际上是一个模块化的服务器集群。管道从停车场的小渠道蜿蜒而上，饮用水从地面泵送上来，渗入海绵状的过滤介质。在我看来，这种泡沫材料像蜂窝或黄蜂窝（图2）。科罗拉多河富含沉淀物的水域已经凝结，在多孔表面形成了一种类似蜂蜜的渗出烟尘。杰里米解释说，潮湿的托盘材料在干旱的沙漠空气中迅速蒸发，翻滚的湿气云轻轻地冷却我们周围嗡嗡作响的服务器。我了解到，这就是为什么集装箱有外号“嘴巴”

云可能是一种碳食动物，但正如“嘴”的例子所示，云也很渴。像牧场一样，服务器农场也是灌溉的。如今，在许多数据中心，冷冻水通过服务器机架的格子输送，以更有效地冷却设备，液体是比空气更好的对流剂。从冷却空气到冷却水的转变是为了减少碳足迹，但这是有代价的。美国西部的社区经受住了历史上的干旱和高温，水资源日益紧张。在亚利桑那州梅萨市，我花了六个月的时间研究沙漠数据中心枢纽的出现，一些政客现在公开反对数据中心的建设，在资源有限的情况下，这些中心的用水是不必要和不负责任的。在犹他州的布拉夫代尔，由于附近的犹他州数据中心（美国国家安全局（NSA）的一个设施，每天耗用700万加仑的水来运行，居民们正遭受缺水和停电之苦。

为了应对数据中心对Mesa和Blufvdale等缺水社区影响的日益提高的认识，谷歌等公司承诺到2030年实现“积极用水”，承诺在其设施和办公室中“补充”120%的用水。通过实施成本高昂的“闭环”水冷却系统，谷歌（Google）和赛勒斯一号（Cyrus One）等公司能够回收蒸发冷却过程中使用的部分废水，尽管大部分水在蒸发过程中会逸出到大气中。除了优化水资源利用和减少“浪费”，谷歌和其他公司承诺投资水基础设施和社区资源，以加强“水管理”和“水安全”

像这样的公司承诺虽然值得称赞，但并不具有可执行性，而且考虑到数据存储基础设施在未来十年中的爆炸性增长，这些承诺似乎也不可行，一些人估计这一数字将增加两倍。媒体学者Mél Hogan警告不要将自己的监管委托给“大科技”，因为这些公司与化石燃料行业有着财务联系，而且未能在之前承诺的期限内减少碳排放或其他种类的废物。

根据联合国环境规划署撰写的2021份排放差距报告，全球气温预计将上升2.7。◦到本世纪末。行星加热将融化冰川，提高海平面。其结果将是淡水供应的盐碱化、滞水水库中病原体的扩散和正在进行的荒漠化进程的加剧，如果政府和企业不能加大减排力度，到2040年将创造几乎无处不在的缺水条件。虽然企业承诺无法保证数据中心将进行监管，但更大的问责机制，比如最近的气候中立型数据中心协议（Climate Neutral data center Pact），一个由欧洲数据中心公司和基础设施提供商组成的财团，承诺到2050年实现“气候中立”，为可能产生更大影响的更大规模监管举措提供一个模式。

2019年，布伦达·海沃德（Brenda Hayward）在阳光明媚的社区散步，经过亚利桑那州钱德勒市丘帕罗萨公园（Chuparosa park）可爱的绿色草坪，这时她听到了这种声音——每天晚上她试图入睡时都会听到这种声音。每天早上她醒来的时候它都在那里。它就在公园里，她的孩子们小时候在那里玩耍，在帕洛维德的树枝间嬉戏，在她试图平静地生活时跟踪她。它开始时是一种沉闷的繁荣，就像狂热的低音少年们狂欢到深夜一样。后来，它演变成了一种持续的、机械的哀鸣。她试着不去注意它，她试着不去听它，但它就在那里，在一切的背后，一个地狱般的背景轨迹指向她的生活。作为一名护士，她知道声音不仅仅是烦扰。她看到了死亡的迹象——高血压、皮质醇——但她无法阻止。没人能，因为它不睡觉。

2020、2019冠状病毒疾病迫使城市居民留在家中，以减少COVID-19的传播。对大卫·格雷来说，小屋热是他最不担心的事。相反，他和芝加哥市中心印表机街的邻居必须经受住音速变化的灾难。当他在家里转来转去，当他工作、吃饭、洗澡的时候，它就在那里，单调的嗡嗡声，不断的咔哒声，一个他生活中经常出现的、不受欢迎的伴侣。它在他的头脑中溃烂，抓住他的思想，探索他的理智，不断地用恐惧和焦虑毒害他。他不能离开；不允许他这么做。他逃不了。他就在那里，和它一起，囚禁在它迷人的单调之中。

2021、在丘帕罗萨公园，我也听到了。在孩子们玩耍、狗吠、汽车飞驰而过的哭声之上，它翱翔。我的耳朵随着云音乐而竖起，这是一首不和谐的交响乐，由短信、电子邮件、猫视频和假新闻组成，在我的耳朵里嗡嗡作响。经过篮球场、野餐桌和多刺的梨子，所有人都能看到它的来源：一个CyrusOne数据中心。

在很远的距离上，我们数字生活中的声音废气会产生回响：硬盘的微小振动、空气冷却器的隆隆声、柴油发电机的转动、风扇的机械旋转。数据中心排放声废物，环保人士称之为“噪音污染”对于布伦达和大卫这样的社区来说，数据中心的计算呼呼声不仅是一种烦恼，也是精神和身体伤害的来源。布伦达是一名接受培训的护士，她报告说，随着噪音的出现，她的血压和皮质醇水平有所上升。大卫是一名二十多岁的软件工程师，被诊断患有高血压，经常与临床治疗师会面，以应对数据中心嗡嗡声引起的焦虑。

他们的故事是警示性的故事；它们既不罕见，也不例外。工业噪声污染的急性和纵向生理影响已得到充分证明，包括听力损失、皮质醇等应激激素升高、高血压和失眠。布伦达和大卫在各自的社区会见了其他不满的居民，组织变革。布伦达很快加入了多布森噪音联盟，帮助组织了一次社区会议，与她的邻居、市政府官员、州和联邦代表以及令人反感的数据中心CyrusOne的员工会面。大卫在自己的大楼里与其他人站了起来，成功地动员芝加哥公共卫生部代表他们提出了一项噪音投诉，并成功地获得了一次噪音污染违规听证会。虽然这些社区正在努力将对他们造成伤害的噪音污染降至最低，但他们却屈从于改善而非解决问题的温和目标。与其他行业不同，数据中心基本上是自我监管的：没有全面的联邦机构来管理新设施和现有设施的选址和运营。

由于数据中心的噪音不受政治当局的管制，因此可以在住宅社区附近修建设施。考虑到听力的主观性，噪音监管的历史最好表现为一系列关于专业知识和安静“权利”的争论，正如自由主义法律制度所规定的那样。在钱德勒和印表机街社区的实地调查过程中，我了解到，云的“噪音”是唯一逃避监管计划的东西。在许多情况下，数据中心的响度（以分贝（dB）为单位）低于地方法规规定的不容忍阈值。因此，当居民联系当局进行干预、降低或消除噪音时，没有采取任何行动，因为数据中心在技术上没有违反法律，并且其物业被划为工业用途。然而，在对声音进行更仔细的询问后，一些居民报告说，单调无人机的频率徘徊在人类语言的范围内，特别令人不安，因为人类的耳朵对辨别这些频率的敏感度高于其他频率。即便如此，有几天，运行柴油发电机的数据中心远远超过了允许的噪音分贝阈值。作为wi

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