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向量库（Vector Database）概述
1. 核心概念
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向量
高维空间中的数值数组，通常由模型（如BERT、ResNet）将非结构化数据（文本、图像等）转换为嵌入向量。 -
向量相似性
衡量方法：余弦相似度、欧氏距离、内积等。 -
近似最近邻搜索（ANN）
牺牲一定精度以换取高搜索速度，适用于大规模数据场景。
2. 核心功能
2.1 高效相似性搜索
- 支持Top-K相似结果检索。
- 应用场景：推荐系统、语义搜索、以图搜图。
2.2 向量存储与管理
- 动态增删改查、数据分片、压缩、版本控制。
2.3 分布式与扩展性
- 水平扩展支持PB级数据，GPU/TPU加速计算。
3. 技术原理
3.1 索引结构
| 索引类型 | 描述 |
|---|---|
| 倒排索引(IVF) | 将向量聚类为桶，仅搜索相关桶 |
| 树结构 | KD-Tree/Ball-Tree，适用于低维数据 |
| 图索引(HNSW) | 分层导航小世界图，平衡速度与精度 |
| 哈希(LSH) | 局部敏感哈希将相似向量映射到相同桶 |
| 量化(PQ) | 乘积量化压缩向量，降低存储成本 |
3.2 存储与计算优化
- 压缩技术：标量量化（SQ）、乘积量化（PQ）。
- 分片与副本：数据分片存储，副本提升可用性。
- 硬件加速：Faiss-GPU、CUDA优化。
4. 应用场景
- 推荐系统
用户行为向量匹配相似商品。 - 图像检索
以图搜图、视频内容匹配。 - NLP语义搜索
问答系统、文本去重。 - 异常检测
通过向量距离识别欺诈行为。 - 生物信息学
DNA序列比对、蛋白质结构分析。
5. 主流工具对比
| 工具 | 特点 | 适用场景 |
|---|---|---|
| FAISS | Meta开源，CPU/GPU加速，高性能ANN | 大规模检索 |
| Milvus | 分布式，多索引支持 | 企业级应用 |
| Pinecone | 全托管云服务，自动扩展 | 云原生应用 |
| Elasticsearch | 支持文本+向量混合搜索（8.0+） | 多条件过滤场景 |
| pgvector | PostgreSQL扩展，关系型数据库集成 | 结构化+向量联合查询 |
6. 挑战与趋势
挑战
- 维度灾难：高维数据计算复杂度高。
- 实时更新：动态数据索引重建成本高。
- 多模态检索：跨模态（文本+图像）统一搜索。
趋势
- 硬件协同：TPU/FPGA加速计算。
- 混合搜索：向量+关键词+过滤条件组合。
- 标准化：统一查询语言（如VQL）。
7. 总结
向量库是AI基础设施的核心组件，通过高效的ANN搜索赋能推荐、搜索、风控等场景。选型需权衡数据规模、延迟、精度和运维成本，未来在多模态与硬件优化方向潜力显著。