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Hello, Vector DB | AIGC 时代，你需要一个真正的向量数据库么？

Hello, Vector DB | AIGC 时代，你需要一个真正的向量数据库么？

2023-10-27

什么是“真正的向量数据库”吗？开发者该如何抉择？

By 栾小凡

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AIGC 时代，开发者需要一个“真正的向量数据库”吗？

答案很简单，这取决于开发者的应用场景。举个例子，晚饭选择去一家五星级餐厅用餐或是是快餐店，往往和你的胃口和期望有关。

如果只是想简单解决一顿饭，一家快餐店就能满足你。同理，如果想为自己的个人网站快速搭建一个问答机器人，或者为相册里的十万张照片建立一个索引，你可以选择最熟悉和便捷的方法，无论是使用免费的向量检索云服务，或者安装基于 PostgreSQL 的开源向量检索插件 PG Vector，抑或是在本地通过 pip 安装 Faiss、HNSW、Annoy 等开源向量检索库，都是不错的选择。

然而，如果我们的目标是一个品质高端的晚宴，大概率会选择一个五星级餐厅。这就好像我们想要构建一个企业级的向量检索应用，数据量超过千万级，要求延迟在 10ms 以下，需要使用高级功能如标量过滤、动态架构、多租户、实时更新/删除、批量导入等。不止如此，我们甚至希望能够在短短十分钟内快速构建一个可用的 Demo……这就不得不借助原生向量数据库的能力和优势了，它就像五星级餐厅一般，不仅可以满足你的基本需求，更是质量和服务的保证。

本文依旧为熟悉的「Hello, Vector DB 系列」，读完本文，相信大家对于“是否需要真正的向量数据库”产生更深的认知。

01.五分钟入门向量检索

向量数据库具有快速计算向量相似度的优势，能在 N 个向量中找出与目标向量在高维空间中最相似的前 K 个向量。然而，这种能力并非仅有向量数据库所具备。例如，我们可以通过使用 Python 的 NumPy 库，用不到 20 行代码就能实现最近邻算法。

以下是一个简单的例子：

import numpy as np

# Function to calculate euclidean distance
def euclidean_distance(a, b):
    return np.linalg.norm(a - b)

# Function to perform knn
def knn(data, target, k):
    # Calculate distances between target and all points in the data
    distances = [euclidean_distance(d, target) for d in data]
    
    # Combine distances with data indices
    distances = np.array(list(zip(distances, np.arange(len(data)))))

    # Sort by distance
    sorted_distances = distances[distances[:, 0].argsort()]

    # Get the top k closest indices
    closest_k_indices = sorted_distances[:k, 1].astype(int)

    # Return the top k closest vectors
    return data[closest_k_indices]

我们可以试着生成 100 个 2 维向量，然后找出与向量[0.5,0.5]最近的邻居。

代码如下：

# Define some 2D vectors
data = np.random.rand(100, 2)

# Define a target vector
target = np.array([0.5, 0.5])

# Define k
k = 3

# Perform knn
closest_vectors = knn(data, target, k)

# Print the result
print("The closest vectors are:")
print(closest_vectors)

这种方法具有很大的灵活性，且实现起来成本低。如果你符合以下情况，我会推荐你使用 NumPy 或其他机器学习库进行向量搜索：

快速进行原型验证。
没有数据持久化的需求。
数据量小于一百万，且没有标量过滤的需求。
对查询性能要求不高。

相对地，如果你需要快速构建原型系统并对性能有一定要求，FAISS 可能是一个好选择。FAISS 是 Meta 开源的一个库，用于高效相似性搜索和密集向量聚类。它能处理任意大小的向量集合，甚至是无法全部装入内存的集合。FAISS 还包含了用于评估和参数调优的工具。FAISS 是用 C++ 编写的，但提供了完整的 Python/NumPy 接口。

以下是一个基于 FAISS 的向量检索代码：

import numpy as np
import faiss

# Generate some example data
dimension = 64                            # dimension of the vector space
database_size = 10000                     # size of the database
query_size = 100                          # number of queries to perform
np.random.seed(123)                       # make the random numbers predictable

# Generating vectors to index in the database (db_vectors)
db_vectors = np.random.random((database_size, dimension)).astype('float32')

# Generating vectors for query (query_vectors)
query_vectors = np.random.random((query_size, dimension)).astype('float32')

# Building the index
index = faiss.IndexFlatL2(dimension)  # using the L2 distance metric
print(index.is_trained)              # should return True

# Adding vectors to the index
index.add(db_vectors)
print(index.ntotal)                  # should return database_size (10000)

# Perform a search
k = 4                                # we want to see 4 nearest neighbors
distances, indices = index.search(query_vectors, k)

# Print the results
print("Indices of nearest neighbors: \n", indices)
print("\nL2 distances to the nearest neighbors: \n", distances)

看起来足够简单，性能似乎也足够快，也能够应付小规模的生产场景。当然，还可以通过量化、降维、使用 GPU 等方案进一步提升查询性能。

然而，尽管向量搜索库如 Faiss 提供了强大和高效的向量搜索功能，但在实际生产环境中，它们存在一些限制。例如，Faiss 并没有提供处理数据的实时增删、缺乏多语言的支持，无法提供远程调用、不支持标量过滤、也不提供数据的持久化，可扩展性和容灾等问题的解决方案。

正是因为这些原因，向量数据库应运而生，为我们提供了一种更完整、更适合实际应用场景的解决方案。向量数据库战场目前主要分为四个类别：

基于 PG、Clickhouse 等进行魔改或者插件化实现的向量数据库。这类解决方案以现有的关系数据库或列存数据库作为基础，通过修改或插件扩展的方式添加向量搜索功能，PG Vector是这类解决方案的代表产品。

基于传统倒排搜索添加稠密向量索引支持的向量数据库。这类解决方案以倒排索引搜索引擎作为基础，通过扩展索引机制以支持向量搜索，ElasticSearch是这类解决方案的代表产品。

基于向量检索库实现的轻量级向量数据库。这类解决方案以向量搜索库（如 Faiss）为核心，围绕其构建数据库功能。这些产品通常具有较小的体积和较高的运行效率，Chroma是这类解决方案的代表产品。

基于原生向量设计的分布式向量云原生数据数据库。这类解决方案从零开始设计和实现向量数据库，整个系统从底层到顶层都针对向量搜索进行了优化，通常提供了更完整和高级的功能，包括分布式计算、容灾备份、数据持久化等，Zilliz Cloud/Milvus 是这类解决方案的代表产品。

不过，"Not All Vector Database are born equal"（并非所有向量数据库都生来平等）。在各类向量数据库中，每种解决方案都有其独特的优点和限制，并且它们各自适合于不同的应用场景。

在所有的向量数据库方案中，我个人对基于 PG、Clickhouse等进行魔改或者插件化实现的向量数据库（如 PG Vector）以及基于原生向量设计的分布式向量云原生数据数据库（例如 Zilliz Cloud/Milvus）这两种截然不同的解决方案特别看好。

接下来我们需要从用户场景需求，向量数据库的发展历史，向量检索的特殊性等多个角度来综合分析原因。

02.为什么需要 Purpose-built 向量数据库

向量数据库最早诞生于 2019 年，由 Zilliz 公司推出并开源了全球首款向量数据库 Milvus。在那个时期，向量数据库的功能相对比较简单，主要是基于向量检索库 Faiss 的基础上，封装了远程过程调用（RPC）接口，并支持了基于 Write-Ahead Logging（WAL）的持久化能力。

相比于传统的向量检索方法，Milvus 1.0 的最大意义在于解耦了业务逻辑、模型和数据存储这三者之间的紧密关联。这意味着应用开发者不再需要关注底层基础设施的维护工作，这些工作包括但不限于集群的部署、数据的持久化和数据的迁移等。因此，Milvus 1.0 为许多用户提供了从传统烟囱式的人工智能开发模式向大模型时代（在这个时代，开发者常常使用如下的开发模式：大语言模型（LLM）+ 编排工具 + 向量数据库）的过渡。

传统的向量检索应用场景包括了推荐系统、以图搜图、问答机器人、内容风控，面向的主要是具备较强 AI 能力和运维能力的企业级用户，用户关注的主要是查询能力、性能、大数据量下的可扩展性以及可运维性、可观测性、安全性等企业级能力。

随着大模型技术的蓬勃发展，向量数据库开始进入 2.0 时代，更多的个人开发者涌入赛道，对向量数据库的关注也逐渐迁移到开发效率、部署简单以及面向大模型加强场景的功能需求。也正是这波狂热的浪潮下诞生了诸如 Chroma 这样的套壳向量数据库，其跟存储引擎相关的代码不过寥寥十个文件。

不止 Chroma，DataStax、Redislab 等传统数据库厂商也纷纷加入战局。正如上文中提到的，基于 numpy 或者 Faiss可以五分钟快速实现一个"向量数据库"。然而，向量数据库绝不仅仅是用来进行简单的向量检索，要想真正提升开发者的开发效率和使用成本，需要系统开发者深入理解硬件、存储、数据库、AI、高性能计算、分布式系统、编译原理、云原生等方方面面，以确保其稳定性、性能和易用性。

数据持久化和低成本存储

作为一个数据库，数据不丢是最低的底线。许多单机和轻量级的向量数据库并没有关注数据的可靠性，Milvus 基于对象存储和消息队列的存储方案既通过存储计算分离提升了系统的弹性和扩展性，又保证了系统的可持久化性。更为重要的是，大多数 ANN 索引都是纯内存加载的，需要消耗大量内存才能执行检索。Milvus 是全球第一款支持磁盘索引的向量数据库，相比磁盘索引可以提供 10 倍以上的存储性价比。

高性能查询

查询性能是选择 ANN 而非 KNN 暴力搜索的核心需求。经过测试，市面上大量传统数据库向量检索插件其查询性能只有 Milvus 十分之一，且由于没有对索引进行分片，索引构造的时间和效率会随着数据量的增长大幅下降，因此只能适用于千万级数据量且不存在频繁增删的场景。

作为一个计算密集型应用，向量数据库的重要关注点在于充分压榨 CPU 算力，甚至利用异构算力实现加速。根据我们的内部测试结果，GPU 向量索引可以实现在千万数据集下万级别的 QPS，单机性能高于传统 CPU 索引一个数量级。向量数据库既是一个数据库，也是一个高性能计算系统，开发者需要拥有很强的 Hardware sympathy，这也是我认为我们需要 Purpose built 向量数据库的重要原因。

开源的向量数据库性能测试工具 Vector DB Bench《向量数据库的行业标准逐渐清晰！Vector DB Bench 正式开源！》，可以帮助用户迅速了解并对比不同向量数据库的性能和容量成本差距。

数据分布

传统数据库的分库分表分片往往基于主键或者分区键。对于传统数据库而言这种设置非常合理，原因是用户查询时往往给出确切的查询条件并路由到对应的分片。对于向量数据库而言，查询往往是找到全局与目标向量相似的向量，此时查询往往需要像MPP数据库一样在所有分区执行，算力需求随着数据量增长而增加。

向量原生数据库将向量作为一等公民，可以根据向量数据分布设置合理的分区策略，并充分利用数据分布信息设置查询策略来提升查询性能和查询精度。

易于使用

关于究竟什么是易用，不同的用户应该有自己的定义。向量数据库市场上，基于 GRPC 实现的多语言客户端，原生 Restful 接口和 SQL 接口都不乏拥簇。

见证了过去 10 年 NoSQL 到 NewSQL 的发展历程，我更愿意相信 SQL 这种表达能力更加丰富的查询语句才是最终的解决方案。除了基本的标量过滤，我们已经见到了用户对于聚合函数（Count，Groupby），函数和 Pagination 等传统数据库能力的需求。这也是我更看好基于 PG、Clickhouse 等进行魔改或者插件化实现的向量数据库的实现路径的一个原因。在对向量检索性能扩展性要求不高的场景下，这种实现方式的功能覆盖面更广，且与传统用户的使用心智更为接近。

与此同时，向量数据库的功能和数据模型必须贴近用户的应用场景。对于 AIGC 用户来讲，动态 Schema、多向量打分、标量向量混合打分、基于距离的范围查询这些查询能力都非常贴近业务场景，而这些场景并非简单的基于开源向量检索库就可以快速实现。

稳定可用

向量数据库是典型的 Big Data Serving 系统。一方面，向量数据库的写入来源于上游的推理系统，存在非常明显的离线和批量特性。另一方面，向量数据库很多应用场景面向在线查询，有严格的查询时延限制和高吞吐要求。在向量数据库的使用场景中，很多用户都要求单机故障能在分钟级恢复，同时也有越来越多的关键场景提出了主备容灾甚至跨机房容灾的需求。基于向量数据库的使用场景，传统基于 Raft/Paxos 的复制策略存在着资源浪费严重，数据预先分片困难等问题。Milvus 基于分布式存储和消息队列实现数据的可用性，基于 K8s 实现无状态故障恢复的无疑更省资源，故障恢复时间也更短。

向量数据库的稳定性另一个重要挑战是资源管理。传统数据库更加关注磁盘、网络等 IO 资源的调度管理，而向量数据库的核心瓶颈是计算和内存。Milvus 社区也有大量关于内存的管理和算力的调度的 PR，这些能力很难短期之内通过改造传统数据库或者在 Chroma 这种轻量级向量数据库中实现。

可运维可观测

想要成为一个企业级数据库，Milvus 不仅仅是提供软件，打包发布这么简单。Milvus 支持多种部署模式，例如 K8s Operator 和 Helm chart、docker compose、pip install 等，并提供了基于 grafana、prometheus 和 Loki 的监控报警体系。Zilliz 还开源了向量数据库可视化管理组件 Attu 以及向量数据库可视化工具 Feder，大大降低了向量数据库的管理难度，提升了向量检索的可解释程度。

得益于 Milvus 2.0 的分布式云原生架构，Milvus 也是业内首款支持多租户隔离、RBAC、Quota 限流、滚动升级的向量数据库。由于向量数据库计算、内存密集型的特性，传统数据库的隔离和限流能力很难在不做改造的情况下直接发挥作用。

智能化

Milvus 是一个 DB4AI 的系统，同时也是做了大量 AI4DB 的尝试。向量数据库与传统数据库的最大区别来源于对数据的返回准确度要求不同。传统数据库要求百分之百正确的返回结果，而向量数据库的 ANN 计算天生就属于近似匹配。通过 AI 改造向量数据库系统，其空间远远大于传统数据库进行调优或辅助问题排查。

基于 Milvus 打造的全托管企业级向量检索服务 Zilliz Cloud 创造性地提出了 AutoIndex，通过模型预测 recall 设置对应的查询参数，在大数据量下可以在 recall 几乎无损的情况实现 2-3倍的性能优化。不仅如此，量化技术，降维，ranking 等传统 AI 领域的技术也被广泛应用于向量数据库中，传统数据库开发者明显缺乏对这些技术的理解。