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AI时代，如何用好大模型是当前各行各业瞩目的焦点。向量数据库作为大模型“记忆体”，不仅能够为其提供数据存储，而且能通过数据检索、分析让大模型进行知识增强，成为生成式AI应用开发新范式的重要组成部分。用图片搜索图片或者文本搜索文本时，在数据库中存储和对比的并不是图片和视频片段，而是通过深度学习等算法将其提取出来的“特征”，“特征”提取的过程称为 Embedding，提取出的“特征”用数学中的向量来表示。向量化的目的是为了通过向量相似来进行非结构化数据的检索，向量化后的数据才能够被AI模型更好的理解使用。向量数据库就是用于生产、存储、索引和分析来自机器学习模型产生的海量向量数据的数据库系统。其典型应用场景比如：基于大语言模型的智能客服、基于企业知识库的问答以及Chatdoc等工具应用。火山引擎向量数据库技术演进之路● 存算分离的分布式架构搭建在抖音集团内部，早期的向量化检索引擎是围绕搜索、推荐、广告业务来构建的，由于这些业务天然具有极大的数据规模，因此从一开始，就需要思考如何在向量索引中支持百亿数据的检索需求，比如图虫拥有几亿图片素材，数量规模早已超出单机内存的极限，举个例子，对于1亿条128维的Float向量，不考虑任何辅助结构，就需要100000000 * 128 * 4 bytes 也就是约48GB的服务器内存。研发团队设计了一套存算分离的分布式系统架构，来进行向量数据的分片和分布式编排，通过向量存储、批式构建和实时在线检索，解决一份向量多个索引、支持多个场景的问题，同时，还能够节省索引构建资源，加快索引构建，使在线检索服务稳定性得到明显提升。对于用户来讲，在抖音上搜索内容则会又快又准。● 计算内核性能优化构建一个企业级的向量检索应用，数据量可能超过亿级，延迟在10ms内，要求用起来更快、更稳，所以在计算框架搭建好之后，也必须关注其内核，如何提供高性能的向量化检索服务以满足业务的苛刻需求。由于向量化检索是典型的计算密集、数据密集场景，其优化方向主要围绕提升吞吐、降低服务成本、提升稳定性开展。通过一系列性能优化工作，如降低内存占用、优化索引性能、CPU指令集计算优化、优化过滤和重排序等业务相关的计算过程，这套架构可以很好解决各类业务场景的离线和在线检索计算需求，相同检索精度下的吞吐和时延相比开源基线有了3倍以上的改善，且满足大规模线上业务的稳定性要求，因此被抖音集团大量业务采用。但因为每个索引搭建一套集群的成本较高，且存在配置复杂等问题，研发团队又对框架进一步迭代，进行云原生改造，实现组件多租户化，提供自动化调度能力，以降低错误率，加快交付。● 向量标量混合检索能力向量数据库用于业务场景时，向量数据通常与结构化数据配合使用，例如，在将文档表示为向量的同时，还需要存储文档所属的部门，以方便在检索时进行权限过滤。这类需求可以抽象为使用与向量相关的结构化数据进行过滤，业界通常有两种解决方案：一是后过滤，将排名top的K个结果扩大一定倍数，检索出更多的向量，然后用结构化数据做过滤，留下topK个，这种方法适用于结构化过滤掉的比例较低，向量召回结果比例较高的场景;二是先过滤，先使用DSL过滤数据集，然后在结果集中进行向量排序，适用于DSL过滤结果较少的场景。随着数据量的增加，这两种检索链路的性能各有适用的场景，但如何在执行时自动找到最适合的执行路径呢?为此，技术团队又研发了DSL定向引擎，支持在检索过程中同时进行向量检索和DSL过滤(结构化过滤)，具有高性能、逻辑完备、可按需终止和执行计划优化等特点。在混合查询性能对比行业评测中，该向量数据库的无过滤吞吐、1%过滤吞吐和99%过滤吞吐多项性能均排名第一。● 帮助大模型知识库更快落地大模型应用场景的不断拓宽，催生了向量数据的存储、检索需求。将企业自身数据转化为向量数据时遇到不少困难，如何帮助业务选择开箱即用的向量化模型，也影响到大模型应用的落地速度。技术团队在知识库、生成式AI素材管理等场景，开始尝试提供预设的向量化方法以供业务选择。大多数业务只需要选择一个适合自身数据的向量化方法，即可用原始数据直接写入向量数据库，并用相同的模型将请求数据转换为请求向量进行查询。● 向量数据库技术全景经过长期的内部探索和优化，抖音采用的向量数据库产品结构如下图所示：基于云基础设施，提供经过深度打磨和优化的各个引擎，提供从多模态数据写入，到向量生成，再到在线检索，以及上线后的弹性调度和监控的一整套全链路解决方案。火山引擎向量数据库的场景化落地实践经过抖音集团内部的技术实践，向量数据库目前已经覆盖50+的业务线，基本支撑了内部所有的向量检索场景，比如抖音、头条、懂车帝、图虫、火山引擎Oncall智能问答和剪映等，主要的业务场景包括智能搜索、AIGC跨模态检索、推荐和去重、智能问答、相关排序、聚类分析和数据挖掘等，并且多个场景库规模达百亿级别。下面以图虫和火山引擎Oncall智能问答为例，展示向量数据库的应用实践。● 智能搜索场景——图虫的以图搜图图虫提供了以图搜图的能力，致力于为用户提供正版素材内容及数字资产管理解决方案。目前，图虫创意在库图片量4.6亿、高清视频超2000万条，每天有大量用户来搜索、查询图片和视频。亿级海量数据对向量检索服务能力提出更高要求，业务如何灵活的设置分片，当数据量大幅增加时又如何避免重新部署集群，加快索引构建、节约资源。解决方案是提供端到端的图片搜索能力，流程是先将图片源数据上传到向量数据库，把图片数据进行向量化、存储并形成向量索引，然后，用户将要搜索的图片上传，上传后向量化，向量化的图片与向量数据库进行向量检索比对查询，获取相似度最高的结果，返回给用户。● 企业知识库场景——火山引擎Oncall智能问答火山引擎Oncall智能问答能够辅助一线客服、提供客户问题回复参考。火山引擎官网每天会收到大量的客户售后进线，高峰时段人均要并行受理多个问题，需要能够快速排查并且给出客户反馈。对于工程师来讲，面对众多技术门槛较高的产品，要进行快速理解和判断，难度较大。解决方案就是，将火山知识库文档和数据通过向量特征提取，然后存储到向量数据库中，应用LLM大语言模型与向量化的知识库检索和比对知识，构建火山引擎Oncall智能问答，可以让聊天机器人的回答更具专业性和时效性，构建专属Chatbot。未来，火山引擎Oncall的FAQ知识将持续沉淀，知识库持续完善，同时还能提供大模型训练数据，处理大量客户咨询问题，实现机器人自动生成回复结果。如今，向量数据库已经成为整个大模型生态的基础设施，支撑着大模型在业界的推广和应用。火山引擎向量数据库技术经过抖音等业务的实践打磨，已经对外开放，赋能千行百业，加速AI大模型落地应用。未来随着新的应用场景的出现，向量数据库还将持续创新，提供更加灵活和多样化的功能，满足不同用户的需求。(作者：程峻熙) |
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