BES 在大规模向量数据库场景的探索和实践

2023-11-02
北京
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本文整理自 2023 年 9 月 3 日 QCon 全球软件开发大会 2023 · 北京站主论坛，百度智能云技术委员会主席王耀的同名主题演讲《云计算进入 AI 原生时代》。

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向量数据库是一种专门用于存储和查询向量数据的数据库系统。通过 Embedding 技术，可以将图像、声音、文本等数据的特征提取出来，用向量的形式表达。而向量之间的距离，表达了原始数据之间特征的相似程度。因此，可以将原始数据等特征向量存储到向量数据库，然后通过向量检索的技术，找到相似的原始数据，例如进行以图搜图的应用等。

1 向量数据库应用简介

在大模型出现之前，向量检索这项技术就已经发展成熟。随着深度学习技术的发展，向量数据库也广泛应用于图片、音频、视频的搜索和推荐场景，以及语义检索、文本问答、人脸识别等场景。

大模型的出现改变了人机交互方式，带来了人工智能技术的新革命，并催生了大量的 AI 原生应用。

不过目前还处于发展的初期阶段，在实际应用上还存在很多问题。

首先是知识能力不够强，大模型虽然能回答通用性问题，但面对垂直领域，由于训练数据有限，回答的专业性仍有提升空间。而且大模型还有幻觉问题，回答会歪曲事实。

另外大模型训练周期和成本都很高，所以没办法频繁的训练，这就导致难以获得实时的数据，只能回答一些时效性不太强的通用问题；

除了知识方面，大模型也很难保证隐私数据安全。比如我为大模型提供了一些关于我自己的私人数据，当这个大模型为其他人提供服务的时候，这些隐私信息很有可能作为答案被说出来。

那么如何增强大模型的知识能力，同时也保护私有数据的安全性呢？

如下图右侧内容所示，通过在提问的时候带上气象局发布的天气预警新闻，可以帮助大模型准确地回答我们的问题。

这种通过外置的数据资料和工具来增强大模型能力的技术体系，称为提示词工程。

从以上讨论可以看出，提示词工程对大模型应用有重要的意义。下面，将为大家详细介绍如何构建提示词工程。

我们来看一个大模型应用的核心工作流程。

通过定期将外部的实时新闻、专业知识、行业资料等数据 Embedding 为向量形式，存储到向量数据库，可以增量构建一个大模型的外部知识库。在用户提问的时候，可以先从知识库获取相关性最高的内容，然后拼接提示词来增强大模型的回答能力。

这样可以在不重新训练大模型的情况下，引入外部的实时数据和知识，增强大模型的回答能力，并减少大模型回答偏离事实的情况。通过向量数据库构建外部知识库，还可以有效的保障行业数据的隐私安全性。

此外，将用户的会话历史存储到向量知识库，在后续的对话过程中还可以提取出相关性较高的历史会话，从而解决大语言模型的 token 数量限制导致大模型缺少长期记忆的问题。

2 百度智能云 BES 的工程实践

Elasticsearch 是一个基于 Apache Lucene 的分布式的搜索与分析引擎，在搜索引擎数据库领域排名第一，是全球最受欢迎的开源解决方案，支持多种数据类型，包括结构化和非结构化数据，并且接口简单易用，文档齐全，在业界有大量的实践案例。

百度智能云 Elasticsearch（BES）是基于开源 Elasticsearch 构建的成熟的公有云产品，拥有云上的资源保障和运维能力。BES 在 2015 年发布，是公有云厂商中最先提供的 ES 托管服务。2018 年我们引入了百度 NLP 分词插件，并支持基于对象存储 BOS 进行快照和恢复。2020 年我们支持了基于对象存储 BOS 的冷热分离架构等能力，并提供了向量检索的能力，在百度内部广泛使用，有着充分的工程积累。2023 年，我们针对向量检索的场景，从向量引擎、套餐资源等各方面进行了优化，以便满足大模型的场景需求。

BES 的架构由管控平台和 BES 集群实例两部分组成。管控平台是全局层面来进行统一的集群管理，监控报警，以及集群扩缩容、冷热分离调度的平台。BES 集群实例则是一套构件在云主机和云磁盘上面的 Elasticsearch 集群服务，前面通过 BLB 四层代理做节点负载均衡。磁盘上的数据可以通过策略定期下沉存储到对象存储 BOS 上，降低存储成本。

BES 的索引架构，整体上采用的是 Shared Nothing + MPP 计算的架构，复用了 ES 的数据流，数据按照索引和分片进行组织，分片可以设置多副本，会通过 ES 的标准方式进行分布和路由。这样在执行向量检索的时候，会在有数据分布的节点上进行本地计算，通过多节点并行计算提高查询效率。可以通过增加副本数量配合扩容，提高可以参与查询的节点数量和资源，从而提高服务整体的查询 QPS。

向量数据使用 ES 标准的方式进行管理，因此使用上和标量数据的区别不大，向量数据可以和标量数据一起写入，并复用 ES 对标量数据的检索和处理能力。用户可以通过 ES 的 Bulk 接口批量写入数据，在数据写入每个分片以后，落盘会形成一些片段文件，然后即可提供检索能力。ES 会在后台定时调度进行分片的合并，来提升检索的效率。在查询的时候，查询请求发送到任意一个节点上，这个节点即成为协调节点，会下发查询到每个分片进行并行计算，然后合并得到 TopK 到结果并返回。

在 BES 中使用向量也非常简单，下面我们看一个使用示例。首先需要定义索引的 Mapping，指定一些向量相关的参数，这一步相当于建表。然后就可以通过 ES 的 Bulk 接口写入数据，实际场景中一般是先通过 Embedding 能力将原始数据向量化，然后批量写入。然后可以通过我们定义的跟 ES 风格接近的语法进行向量检索。

在向量索引的实现方面，我们选择通过自研插件来实现向量相关的能力。核心引擎我们通过 C++ 实现，在 ES 中通过 JNI 调用。

选择自研插件，一是希望基于 C++ 实现来获得更贴近底层的极限性能，并且方便进行 SIMD 等优化来加速计算；二是能改写底层存储格式的实现，也是方便做到更极致的性能；三是能更灵活地控制检索逻辑，改写执行计划来实现比较复杂的查询。

这里核心的向量检索引擎部分，我们选择基于社区优秀的向量库实现做二次开发。我们对比了下 nmslib 和 faiss 各自在 ES 上的开箱性能（基于 8cu 虚机进行测试，写入数据产生的 segments 未合并，数据集 SIFT-1M 128 维），可以看出 HNSW 召回率较高、整体比较耗内存，而 nmslib 的实现更胜一筹。

通过改造向量检索引擎的实现，我们在 HNSW 的索引类型上，对 level 0 的向量数据存储复用了我们自定义的 Lucene 列式存储数据，并通过 mmap 加载。这样一方面减少了数据的冗余度，减少了资源的浪费；另一方面，通过 mmap 方式加载数据，在内存不足的时候，会将部分页换出内存，在需要读取的时候再加载到内存中，某种程度上也支持了内存 + 磁盘混合的存储介质。

在展开具体优化之前，我们先回顾一下当前比较主流的图算法原理。

图算法是一种比较新的近似向量检索思路，它基于可导航小世界理论，具体是指在一个充分连接的图里，通过六跳就可以连通两个点。按向量间的距离关系构造一个这样类似于真实世界的「小世界」网络，也就可以通过贪心算法，按距离建立联系一跳一跳逼近目标的向量定点。

随着小世界里的点不断插入，根据前面讲的挑选近邻点构建边的思路，新插入的点会越来越局限于一个小圈子，这样的话跟一个很远的点建立联系就需要非常多的跳数了。

为了解决这个问题，业界提出了 HNSW 算法，即采用类似链表查找算法里的跳表的思路。我们建立不同层级的图，往上指数递减定点数量来形成稀疏图，这样越稀疏的图自然就越能连接远方。

虽然 HNSW 索引的查询响应快，召回率也比较高，但是也存在构图速度慢，CPU、内存开销大等缺点。HNSW 构图过程，每插入一个点需要检索计算，插入大量的点也是一笔很大的计算开销，因此导入数据会很慢，导致前台阻塞。

因此我们将向量索引构建改造成后台异步构建的机制，数据写入落盘之后就可以直接返回；然后后台通过 ES 的合并策略或者用户的定时或主动触发的方式来触发在后台构建 HNSW 索引，通过流式构建的方式，降低构图过程的内存消耗。并且使用独立线程池构建，以免对前台查询请求造成影响。

同时，我们也对 ES 的片段合并策略进行了优化。

ES 默认的合并策略，会根据一些条件，例如一次合并参与的片段数量、合并要产生的新片段的大小等，来选择参与合并的片段的集合，然后计算不同组合的分数，来选择最优的片段组合进行合并。一般会经过多轮合并的方式，来达到一个资源消耗和查询效率的平衡状态。不过因为向量索引的构建成本往往比 ES 的原生数据类型成本更高，所以我们调整了向量索引的合并策略，将多轮合并改为一次合并，减少片段合并的过程开销。

此外，我们也支持在写入数据之前，将目标索引的自动构建关闭，在批量写入数据并合并片段之后，再通过 API 一次性完成向量索引构建，比较适合批量灌库的场景使用。

此外，BES 也支持多种向量索引类型和距离计算算法。对于需要训练生成的向量索引，我们也提供了流程支持。例如 IVF 系列索引，在此让我们先回顾下 IVF 算法的原理。

IVF 即倒排索引，倒排索引是一个搜索引擎的术语，指的从文档网页里提取关键词，来建立倒排检索结构，通过关键词找到原始文档。那么对向量数据来说，关键词是什么呢？真实世界的向量在空间分布上一般会扎堆分布，具备聚类特征。请看下图。

通过 k-means 算法将向量的聚类中心提取出来，那这个向量所处的聚类中心就是这个向量的关键词，用这个来建立倒排索引，就可以像搜索引擎一样，先命中聚类中心，再暴力搜索聚类中心下面的各个向量，这样相比全局搜索能过滤大量的数据。如果觉得找一个聚类中心不够准确，也可以多找几个，找的越多，结果越准。

对于 IVF 这一类的向量索引，BES 的构建流程是，先写入训练数据，然后调用 API 训练模型。这一步会根据训练数据进行聚类，计算得到每个聚类的中心。在模型训练好以后，再新建索引写入实际数据，基于训练好的模型构建向量索引。具体向量索引的构建和合并机制，还是和前面描述的一样。

有很多场景提出先按标量条件过滤数据再进行向量检索的需求，例如为向量数据打上标签，要保证检索出来的向量能匹配上标签。

支持这样的需求，可以通过 post-filter 和 pre-filter 两种方式，post-filter 是指先进行 ANN 的检索，然后基于检索结果执行 filter，得到最终的结果，不过可能会导致结果集的大小显著小于 K。而 pre-filter 是指，先对数据进行过滤，然后基于过滤结果进行最近邻检索。这种方式一般可以确保得到 K 个结果。

因此我们改造了原有的 HNSW 实现，让算法在遍历图挑选近邻的过程中，只考虑符合 filter 条件的向量。具体流程是，先基于 ES 的标量数据索引执行 filter，得到召回文档的 id 列表；然后根据 id 列表构造位图，并将位图数据通过 JNI 调用传递到向量引擎，在 HNSW 检索的过程中，根据位图过滤近邻顶点，从而得到符合 filter 条件的向量列表。

实际测试的时候，发现性能和召回不是很理想。通过测试数据和研究一些资料发现，在过滤比例升高时，因为顶点被过滤导致能连通的路径变少，直接影响了 HNSW 算法的收敛速度，以及很容易走进死胡同导致召回率低。资料表明，过滤比达到 90% 以上是，性能和召回率会急剧下降。

因此这里我们选择改写执行计划，将标量过滤和暴力检索算法结合，在过滤比例达到 90% 以上的时候，对于 filter 的结果数据进行暴力检索，可以取得令人满意的效果。同时，还通过 SIMD 指令加速暴力检索效率。

BES 后续的发展规划，主要集中在以下几方面。

首先是易用性，因为向量数据库主要面向大模型应用开发者，所以希望能够提供开箱即用的产品体验，降低用户理解和使用的门槛。目前 BES 自研的向量引擎在使用上需要用户对 ES 有一定的熟悉，例如能够使用 ES 的 DSL 表达查询逻辑。如果能够提供更加通用易上手的使用方式，例如支持通过 SQL 进行 knn 检索，对用户将更加友好。

其次是功能特性，这里需要支持更多索引算法和相似度算法，例如 DiskAnn、百度自研的 Puck&Tinker 算法等，以应对多种多样的需求和场景。并考虑支持异构计算能力，提高索引构建和检索效率。

性能成本方面，面向大规模应用的场景，还需要更深入的优化，减少系统的 overhead，优化资源的使用效率。例如，ES 是基于 JVM 运行的，向量引擎由 C++ 开发，通过 JNI 调用执行。那怎么才能更加灵活的管理全局的内存资源，才能适应不同客户的 workload，又能将资源的利用率尽可能地提高，这个将是我们后续的一个主要优化方向。

最后，BES 目前是托管集群的形态，需要用户根据自己的业务量级评估集群资源，选择合理地套餐，这给用户带来了一定的使用成本，如何能够让资源更加动态、弹性，帮助用户降低使用门槛，降低成本，也是我们的优化方向。

刚刚提到的 Puck&Tinker 算法，是百度 100% 自研的向量检索算法，经过了搜索业务的大规模实际验证。

在首届国际向量检索大赛 BigANN 上，Puck 在参赛的 4 个数据集中均排名第一。在 BIGANN-10M 的数据集上，在召回率相近的情况下，Puck 的性能达到了 HNSW 的 1.7 倍，而内存消耗只有 HNSW 的 21% 左右。Puck 已经开源，欢迎大家关注 https://github.com/baidu/puck/tree/main/docs。