屏幕上闪烁着文字。也许是匆忙写在智能设备上的电子邮件，或是朋友或家人之间交换的表情符号信息。在这条数字长河中，数百万人在狂看他们最喜欢的电视节目，观看色情片，或进入大型多人在线角色扮演游戏的广阔世界，或者只是查找一个晦涩词语的含义或最近的COVID-19检测中心的位置。
无论您的疑问、愿望或目的为何，互联网都能满足，从开箱视频到 DIY 博客的一切复杂性都包含在无限复杂的比特字符串中。当它们以光速在时间和空间中传播，在比人类头发还细的光纤电缆中穿梭于我们的海洋之下时，这些密集的包含着像素、字符或帧指令的信息包，以一和零的形式编码，最终展开，创造出您现在看到的数字表象。您正在阅读的文字是进入一个被称为“云”的虚无缥缈领域的入口。
虽然在技术术语中，“云”可能指的是在网络上汇集的计算资源，但在大众文化中，“云”已经开始代表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。就像一朵蓬松的积云漂浮在晴朗的蓝天中，拒绝保持固定的形状或形式一样，数字云是难以捉摸的，它的内部运作对于公众来说在很大程度上是神秘的，这是麻省理工学院控制论专家诺伯特·维纳曾经称之为“黑匣子”的一个例子。但正如我们头顶的云朵，无论它们看起来多么无形或虚无缥缈，实际上都是由物质构成的，数字云也是如此，它也是一种不折不扣的物质存在。
支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻工作： 订阅。 通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
要了解云的物质性，我们必须解开同轴电缆、光纤管、蜂窝塔、空调、配电单元、变压器、水管、计算机服务器等等的缠绕。我们必须关注其电力、水、空气、热量、金属、矿物和稀土元素的物质流动，这些是支撑我们数字生活的基石。从这个意义上说，云不仅是物质性的，而且是一种生态力量。随着它不断扩展，其环境影响也在增加，即使其基础设施背后的工程师、技术人员和管理人员都在努力平衡盈利能力和可持续性。在云的内容所驻留的基础设施墙壁中，即存储数据并汇集计算能力以维持我们的云应用程序运行的工厂式图书馆中，这种困境最为明显。
云：碳吞噬者
事件发生在凌晨四点。那时，我正蹲在数据中心的一个隔离通道的地板上，电脑像图书馆里的书架一样排列在我两侧。服务器风扇的喧嚣声使我几乎听不见我正在跟随的资深技术员汤姆向我解释如何撬开一个有故障的地板瓷砖。我用专用工具从铰链上取下白色方瓷砖，注意到它表面上蚀刻着微小的孔洞，这些孔洞是为了帮助冷空气从我们下方一个被称为“增压室”的巨大的加压空腔中涌入而设计的。我把瓷砖放在一边，当一股寒意从暴露的地下增压室中涌上来时，我感到一股寒意挠着我的鼻子。我开始更换瓷砖，使用一个有更多凹槽的瓷砖，以改善对这组密集计算设备的空气流动。这时我听到了警报声响起。在一片闪烁的绿色和蓝色灯光中，整个机架的计算机突然闪烁起黄色，然后，几秒钟后，又变成了不祥的红色。那一刻，恐慌蔓延到汤姆的脸上，他也变得面红耳赤，他争先恐后地控制着我们周围正在发生的灾难。
“它们过热了，”汤姆在检查热传感器时说道，汗水从他的额头滴下来。
我感觉到热气在空气中弥漫。温暖的洪流渗入服务器的速度比印刷在其电路板上的散热器可以消散的速度还要快，比风扇可以排出热空气的速度还要快，形成一个失控的变暖反馈循环。自动关机程序开始，汤姆诅咒着，提醒我每停机一分钟，服务中断，都可能给公司造成数千美元的损失。然而，在两分钟内，三台一直处于待机状态的大型空调机组以全功率启动，为房间注入北极寒意，并恢复了混乱的秩序。
在上面的小插曲中，我借鉴了我的民族志田野笔记，我讲述了一个数据中心技术人员称之为“热失控事件”的事件，即冷却系统级联失效，导致处理、存储和促进在线一切的服务器中断运行。正如这个例子所示，数字工业的分子摩擦以不受控制的热量形式扩散。我们数字查询和交易的残渣碎片，电子的飞速流动，温暖了空气介质。热量是计算的废品，如果不加以控制，它就会成为数字文明运作的障碍。因此，必须不断地缓解热量，以使数字引擎每天 24 小时、每天都保持恒定的轰鸣状态。
为了平息这种热力学威胁，数据中心绝大多数依赖空调，这是一种冷冻空气气体介质的机械过程，以便它可以将危险的热量从计算机中移开或提升。今天，即使是最先进的数据中心，耗电的机房空调 (CRAC) 或机房空气处理器 (CRAH) 也是必不可少的。在北美，大多数数据中心都从“脏”电网获取电力，尤其是在弗吉尼亚州的“数据中心巷”，2019 年全球 70% 的互联网流量都在这里。为了冷却，云燃烧碳，杰弗里·莫罗称之为“元素讽刺”。在当今的大多数数据中心，冷却占电力使用量的 40% 以上。
虽然一些最先进的“超大规模”数据中心（如谷歌、Facebook 和亚马逊维护的数据中心）已承诺通过碳补偿和投资风能和太阳能等可再生能源基础设施将其站点过渡到碳中和，但我观察到的许多小型数据中心缺乏资源和资本来追求类似的可持续发展举措。小型传统数据中心通常建在旧建筑物内，这些建筑物并未针对不断变化的电力、冷却和数据存储容量需求进行优化。自从超大规模设施出现以来，许多公司、大学和其他运营自己小型数据中心的机构已经开始将其数据转移到超大规模数据中心或云托管设施，理由是能源成本降低。
根据劳伦斯伯克利国家实验室的报告，如果整个云转移到超大规模设施，能源使用量可能会下降多达 25%。在没有任何监管机构或机构来激励或强制我们基础设施配置进行这种转变的情况下，已经提出了其他解决方案来遏制云的碳问题。有人建议将数据中心迁至冰岛或瑞典等北欧国家，以利用周围的冷空气来最大限度地减少碳足迹，这种技术称为“免费冷却”。然而，网络信号延迟问题使得这个绿色数据中心天堂的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，云现在的碳足迹比航空业还要大。一个数据中心可以消耗相当于 50,000 个家庭的电力。数据中心每年消耗 200 太瓦时 (TWh) 的电力，其总耗电量超过一些民族国家。今天，数据中心使用的电力占整体碳排放量的 0.3%，如果我们扩大统计范围以包括笔记本电脑、智能手机和平板电脑等联网设备，则总数将变为全球碳排放量的 2%。
为什么需要如此多的能源？除了冷却之外，数据中心的能源需求也十分巨大。为了满足客户对其数据和云服务随时随地可用的承诺，数据中心被设计为高度冗余的：如果一个系统出现故障，另一个系统会立即准备就绪以取代它，从而防止用户体验中断。就像汤姆的空调在低功耗状态下闲置，并在温度过高时准备启动一样，数据中心也是一个冗余的“俄罗斯套娃”：诸如柴油发电机之类的冗余电源系统，在其他服务器意外不可用时准备接管计算过程的冗余服务器等等。在某些情况下，只有 6% 到 12% 的能源消耗 用于主动计算过程。其余部分用于冷却和维护层层冗余的安全措施，以防止代价高昂的停机。
降水
现在是七月下旬的亚利桑那州。在无云的这一天，太阳是白色且炙热的。当我跟随初级技术员杰里米走到数据中心后面的空地时，我感觉到太阳灼烧着我的后颈，那里排列着数十个集装箱。在这 117 华氏度的高温中，我们的任务是修复一个出现故障的蒸发冷却系统。我们拧开其中一个外部面板上的螺丝，然后进入集装箱，令我惊讶的是，它实际上是一个模块化服务器集群。管道从空地上的小沟渠向上延伸，地面上的饮用水被泵入其中，渗入海绵状的过滤介质。在我看来，这种泡沫状的材料类似于蜂窝或黄蜂窝（图 2）。科罗拉多河富含沉淀物的水凝结成一种粘稠的煤烟状物质，覆盖在多孔的表面上，这与蜂蜜非常相似。这种潮湿的材料托盘在干燥的沙漠空气中迅速蒸发，翻腾的水汽云轻轻地冷却着周围嗡嗡作响的服务器，杰里米解释说。我了解到，这就是为什么这个集装箱被称为“嘴巴”的原因。
云可能是个碳消耗大户，但正如“嘴巴”的例子所表明的那样，云也非常渴。就像牧场一样，服务器农场也需要灌溉。在当今的许多数据中心中，冷水通过服务器机架的格栅管道输送，以更有效地冷却设施，液体是比空气更好的对流介质。这种从冷却空气到冷却水的转变是为了减少碳足迹，但这需要付出代价。由于经历了历史性的干旱和热穹顶，美国西部地区的社区在水资源方面承受着越来越大的压力。在亚利桑那州的梅萨，我花了六个月的时间研究沙漠数据中心枢纽的兴起，一些政客现在公开反对建设数据中心，认为鉴于资源限制，数据中心耗水是不必要且不负责任的。在犹他州的布拉夫代尔，由于附近的美国国家安全局（NSA）的犹他数据中心每天消耗七百万加仑的水来运行，居民正遭受缺水和停电之苦。
数据中心每天消耗数百万加仑的亚利桑那州的水。
为了应对人们日益认识到数据中心对像梅萨和布拉夫代尔这样缺水社区的影响，像谷歌这样的公司承诺到 2030 年实现“水资源正效益”，承诺“补充”其设施和办公室消耗的 120% 的水。通过实施成本高昂的“闭环”水冷却系统，像谷歌和 Cyrus One 这样的公司能够回收一些用于蒸发冷却的废水，尽管大部分水在蒸发过程中会逸入大气。除了优化水资源利用和最大限度地减少“浪费”之外，谷歌和其他公司还承诺投资水基础设施和社区资源，以加强“水资源管理”和“水资源安全”。
这些公司的承诺虽然值得称赞，但没有强制执行力，而且鉴于未来十年数据存储基础设施的爆炸式增长（据一些估计，将增加两倍），这些承诺似乎也不可行。媒体学者 Ml Hogan 警告说，不要信任“大型科技公司”对其自身进行监管，因为这些公司与化石燃料行业有着经济联系，并且未能按时实现此前减少碳排放或其他类型浪费的承诺。
根据联合国环境规划署撰写的《2021 年排放差距报告》，预计到本世纪末，全球气温将上升 2.7 摄氏度。地球变暖将融化冰川并导致海平面上升。其结果将是淡水供应盐碱化、停滞水库中病原体生长扩散以及正在进行的沙漠化进程加剧，如果各国政府和公司未能加大力度遏制排放，到 2040 年将造成几乎普遍缺水的状况。虽然公司承诺并不能保证数据中心会进行监管，但像最近的《气候中立数据中心公约》这样更大的问责机制，这是一个由欧洲数据中心公司和基础设施提供商组成的联盟，承诺到 2050 年实现“气候中立”，它为更大规模的监管举措提供了一个模型，这些举措可能会产生更实质性的影响。
云并不沉默
2019 年。布伦达·海沃德在阳光明媚的社区里散步，经过亚利桑那州钱德勒的丘帕罗萨公园美丽的绿色草坪时，她听到了它——这个在她试图睡觉的每个夜晚都困扰着她的声音。它在每天早上她醒来时都会出现。它在她的孩子们小时候玩耍的公园里，在刺槐树的枝条中沙沙作响，在她试图安静地生活时跟踪着她。它最初是一种沉闷的轰鸣声，类似于深夜里疯狂派对的青少年发出的喧闹声。后来，它演变成一种持续的机械嗡嗡声。她试图不去注意它，试图不听它，但它就在那里，在一切的背后，是她生活中地狱般的背景音乐。作为一名护士，她知道这种声音不仅仅是恼人的。她看到了它造成的损害迹象——高血压、皮质醇——但她无法阻止它。没有人能阻止它，因为它不会睡觉。
2020 年。封锁迫使城市居民待在家中，以尽量减少 COVID-19 的传播。对于大卫·格雷来说，幽闭恐惧症只是他最不担心的事情。相反，他和他在芝加哥市中心印刷工街的邻居们必须忍受一种声波形式的祸害。当他在家中闲逛时，当他工作、吃饭和洗澡时，它就在那里，一种单调的嗡嗡声，一种不停歇的咔哒声，是他生活中持续不断、不受欢迎的伴侣。它在他脑海中发酵，抓挠着他的想法，探寻着他的理智，用持续的恐惧和焦虑的诅咒毒害着他。他不能离开；他是不被允许离开的。他无法逃脱。他就在那里，与它在一起，成为它迷人单调的囚徒。
2021 年。在丘帕罗萨公园，我也听到了它。在孩子们玩耍的哭喊声、狗叫声、汽车飞驰而过的声音之上，它在翱翔。我的耳朵竖了起来，聆听着云的音乐，一段由短信、电子邮件、猫视频和假新闻组成的刺耳交响乐，在我的耳朵里脉动、轰鸣。穿过篮球场、野餐桌和多刺的梨树，所有人都可以看到它的来源：CyrusOne 数据中心。
在遥远的距离上，我们数字生活的声波废气在回荡：硬盘的细微振动、空气冷却器的隆隆声、柴油发电机的曲柄声、风扇的机械旋转声。数据中心会排放声波废弃物，环保主义者称之为“噪声污染”。对于像布伦达和大卫这样的社区来说，数据中心的计算嗡嗡声不仅仅是一种烦恼，而且是精神和身体伤害的来源。受过培训的护士布伦达报告说，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，被诊断出患有高血压，并经常与临床治疗师会面，以控制数据中心嗡鸣声引起的焦虑。
他们的故事是警示故事；它们既不常见也不例外。工业噪声污染的急性和纵向生理影响已被充分记录，包括听力损失、皮质醇等压力激素升高、高血压和失眠。布伦达和大卫分别与各自社区的其他不满居民会面，以组织变革。布伦达很快加入了多布森噪声联盟，帮助组织与她的邻居、市官员、州和联邦代表以及违反规定的 CyrusOne 数据中心的员工举行的社区会议。大卫与他所在大楼的其他人员一起采取了立场，成功地动员芝加哥公共卫生部门代表他们提出噪声投诉，并成功地获得了关于噪声污染违规行为的听证会。虽然这些社区为尽量减少对他们造成伤害的噪声污染所做的努力仍在继续，但他们已接受适度的目标，即改善而不是解决问题。与其他行业不同，数据中心在很大程度上是自我监管的：没有全面的联邦机构来管理新建和现有设施的选址和运营。
由于政治当局不对数据中心噪声进行监管，因此可以将设施建在靠近居民社区的地方。鉴于听觉的主观性，噪声监管的历史最好被描述为一系列关于专业知识和“安静权”的竞争，正如自由法律制度所编纂的那样。在我在钱德勒和印刷工街社区进行的实地调查过程中，我了解到云的“噪声”独特地逃避了监管计划。在许多情况下，以分贝（dB）为单位测量的，数据中心的响度低于当地法令规定的不耐受阈值。因此，当居民联系当局进行干预以减弱或消除其噪音时，由于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，因此没有采取任何行动。然而，在对声音进行更仔细的调查后，一些居民报告说，单调的嗡嗡声（一种在人类语音范围内徘徊的频率）特别令人不安，因为人耳对识别高于其他频率的这种频率非常敏感。即便如此，有时数据中心运行柴油发电机时，其噪声也大大超过了允许的噪声分贝阈值。与水和碳一样，像 CyrusOne 这样的当地公司在社区会议上承诺采取措施来减弱其声音，尽管这些都是无法执行的承诺，到目前为止，它们都未能兑现。
不朽的废物
自 2007 年第一款智能手机在市场上首次亮相以来，此类设备已经生产了超过 70 亿部。它们的平均寿命不到两年，这是设计过时和渴望从炫酷的新功能中获利的后果。与此同时，它们的制造的物质和政治条件，以及生产所需的资源仍然是模糊不清的。在艰苦的条件下，矿工们不知疲倦地在地球上寻找制造信息和通信技术（ICT）设备所需的稀有金属。然后，在全球南部的富士康等大型工厂，那里可以廉价地获得劳动力并且对工人的法律保护很少，智能手机被组装并运送给消费者，但它们只是在几个月内被丢弃，最终进入像加纳阿博布洛西这样的电子垃圾墓地。这些金属，其中许多是有毒的并含有放射性元素，需要数千年才能腐烂。数字垃圾正在进行生态转型。
历史学家内森·恩斯门格（Nathan Ensmenger）写道，制造一台台式电脑需要 240 公斤的化石燃料、22 公斤的化学品和 1500 公斤的水。数据中心大厅里摆满的服务器是密集的专用资产，有些单元的价值高达数万美元。当保修期到期并且设备未能达到诸如 Uptime Institute 等机构设定的高可靠性和冗余标准时，电缆、电池、不间断电源 (UPS)、空调（CRAC 和 CRAH）、配电单元 (PDU) 和变压器也会定期退役和处置。其中一些组件含有有毒的多氯联苯 (PCB)，必须进行处置而不是重复使用。欧洲和其他地方正在努力改进设施和设备设计，以延长设备的使用寿命，更方便地进行维修，并正式建立一个使用 “材料护照” 来回收旧设备的交换系统，该护照像 CARFAX 一样精确记录设备的历史。即使实施了这些可持续发展举措，像绿色和平组织这样的环保组织 估计，每年产生的电子垃圾中只有不到 16% 被回收利用。
我们发现自己身处的生态动态并非完全是设计限制的结果，而是个人、社区、公司和政府等人类行为和选择的结合，加上缺乏实现可持续云的意愿和想象力。云既是文化也是技术。像文化的任何方面一样，云的轨迹及其生态影响不是预先注定的或不可改变的。像文化的任何方面一样，它们是可以改变的。
本文经授权转载，并于 2022 年 2 月 14 日首次发布。