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使用 pgvector 为 HNSW 并行构建索引

Postgres 最受欢迎的向量搜索扩展 pgvector 最近实现了并行索引构建功能，这将分层可导航小世界 (HNSW) 索引构建时间显著提高了 30 倍。

祝贺 Andrew Kane 和 pgvector 的贡献者发布此版本，这巩固了 Postgres 作为最佳向量搜索数据库之一的地位，并允许您充分利用数据库的功能来构建索引。

在 64 vCPU、512GB RAM 实例上使用包含 1,536 维向量的 10M 数据集运行测试。

Pgvector 是 Postgres 最受欢迎的向量相似性搜索扩展。向量搜索对于语义搜索和检索增强生成 (RAG) 应用程序越来越重要，可增强大型语言模型 (LLM) 的长期记忆。

在语义搜索和 RAG 用例中，数据库包含 LLM 未接受过训练的知识库，这些知识库被拆分成一系列文本或块。每个文本都保存在一行中，并与嵌入模型（例如 OpenAI 的 ada-embedding-002 或 Mistral-AI 的 mistral-embed ） 生成的向量相关联。

然后使用向量搜索来查找与查询向量最相似（更接近）的文本。这是通过将查询向量与数据库中的每一行进行比较来实现的，这使得向量搜索难以扩展。这就是为什么 pgvector 实施 近似最近邻 (ANN) 算法（或索引）的原因，该算法在数据库的子集上进行向量搜索，以避免冗长的连续扫描。

最有效的 ANN 算法之一是分层可导航小世界 (HNSW) 索引。其基于图形和多层的特性专为数十亿行向量搜索而设计。这使得 HNSW 在规模上极其快速和高效，并且是向量存储市场中最受欢迎的索引之一。

HNSW 首次由 Yu A Malkov 和 Dmitry A. Yashunin 在题为《使用分层可导航小世界图进行高效、稳健的近似最近邻搜索》的论文中提出。

HNSW 是一种基于图的索引高维数据的方法。它构建了一个图的层次结构，其中每一层都是前一层的子集，因此时间复杂度为 O(log(rows)) 。在搜索过程中，它会浏览这些图以快速找到最近的邻居。

尽管 HNSW 指数快速而高效，但它也存在两个缺点：

1. 内存 ：该索引所需的内存明显多于其他索引，例如倒排文件索引 (IVFFlat)。您可以通过拥有更大的数据库实例来解决内存问题。但是，如果您使用独立的 Postgres（例如 AWS RDS），您会发现自己处于仅为索引构建而过度配置的情况。但是，借助 Neon 扩展功能，您可以扩展、构建 HNSW 索引，然后缩减规模以节省成本。

2. 构建时间： 对于百万行数据集，构建 HNSW 索引可能需要数小时。这主要是因为计算向量之间的距离需要花费时间。而这正是 pgvector 0.6.0 通过引入 并行索引构建 解决的问题。通过分配更多 CPU 和工作器，您可以将 HNSW 索引的构建速度提高 30 倍。

但是等一下！HNSW 索引支持更新，那么如果您只需要构建一次索引，为什么这个并行索引构建功能是必要的呢？

嗯，有两种情况需要创建 HNSW 索引：

当您想要更快的查询并优化向量搜索时

当你已经有 HNSW 索引，并从表中删除向量时

后者可能会导致索引搜索返回误报，从而对 LLM 响应的质量和 AI 应用程序的整体性能产生负面影响。

与以前的版本相比，pgvector 0.6.0 使用并行工作器时可将索引构建时间加快 30 倍。处理大型数据集和向量大小（例如 OpenAI 1536 维向量嵌入）时，这种改进尤其明显。

创建 HNSW 索引可能需要大量资源。原因是您需要分配足够的“maintenance_work_mem”以容纳内存中的索引。否则，hnsw 图的构建时间会更长。

NOTICE: hnsw graph no longer fits into maintenance_work_mem after 100000 tuples
DETAIL: Building will take significantly longer.
HINT: Increase maintenance_work_mem to speed up builds.

为了有效地使用并行索引构建，必须使用适当的设置配置 Postgres。需要考虑的关键参数是：

Maintenance_work_mem ：此参数决定为创建或重建索引分配的内存。此参数影响这些操作的性能和效率。将其设置为较高的值（例如 8GB）可以更有效地处理索引构建过程。

SET maintenance_work_mem = '8GB';

max_parallel_maintenance_workers： 这决定了可以使用的并行工作器的数量。在 Postgres 中，max_parallel_maintenance_workers 的默认值通常设置为 2。将其设置为较大的数字可以利用更多的计算资源来更快地构建索引。

SET max_parallel_maintenance_workers = 7; -- plus leader

在 RAG 应用中，召回率与查询执行时间一样重要。召回率是 ANN 提供的正确答案的百分比。在 HNSW 索引中，“ef_search”是确定搜索时要扫描的邻居数量的参数。“ef_search”越高，召回率越高，查询执行时间越长。

Johnathan Katz 进行的测试 表明，使用并行构建对召回率的影响微乎其微，大多数变化都产生了超过 1% 的积极影响。尽管速度有了很大的提高，但召回率的这种显著稳定性凸显了 pgvector 0.6.0 并行构建过程的有效性。

pgvector 0.6.0 代表了一次重大飞跃，证明了 Postgres 在向量搜索领域的重要性。通过利用并行索引构建的强大功能，开发人员现在可以更快速、更高效地构建 HNSW 索引，从而显著减少此类任务传统上所需的时间和资源。

原文链接：https://neon.tech/blog/pgvector-30x-faster-index-build-for-your-vector-embeddings?ref=dailydev