作者：WeOLAP 团队 数据挖掘团队
擅长 OLAP 分析的 ClickHouse 不仅可以用于 vector search，还可承担起整条 embedding 的加工处理工作,All in one Pipeline 也让速度远超传统批处理框架数倍；检索性能虽无法与专业 sim 检索服务相媲美，但因“搜索分析一体化”，让它在 AI 近线处理占据一席之地。 本文工作由 vcc、 levi、 longpo、 zifei、 luis 等人协同完成
背景
在过去的一年里，大型语言模型 (LLM) 以及 ChatGPT 等产品吸引了全世界的想象力，推动新一轮技术浪潮。embedding 和 vector search(向量搜索)的概念是支持推荐、问答、图像搜索等功能的核心。我们发现社区中“向量搜索”的兴趣显著增加;具体来说，大家感兴趣了解的是：何时需要专门向量数据库，何时不需要？相比于语义性检索引擎（ES）与专业的高性能检索服务，OLAP 数仓的向量检索能力在场景有何区别？
在调研对 ClickHouse 对向量检索/加工能力时，我们惊讶地发现， 现代 OLAP 数仓已具在其内部独立搭建 CLIP 等主流机器学习模型的数据处理全流程能力 （图 1），包含 embedding 推理生成，ETL 加工处理，召回检索，科学分析场景，实现 搜索分析体验一体化 ！
于是，我们协助画像业务进行 Pipeline 架构改造，实现画像 embedding 从“季度更新”到“日更新”的功能架构升级，以及 All in One 分析处理体验；这让画像刻画“更实时、更准确”，诸多业务指标显著提升！
从向量检索说起
文本搜索：传统的检索是基于文本分词的精确匹配；早期全文检索引擎都是基于不同的索引方式（倒排索引，BTree 等）加上精确匹配和排序算法（BM25、TF-IDF）等实现的，代表如早期的 Elastic Search (ES)；但它的局限性很显著，就是无法表达图像，音频，近似词等更多种模态中的通用信息；
什么是 Embedding？
“万物皆可 Embedding，向量是 AI 理解世界的通用模式 ”：""An embedding is a mapping from discrete objects, such as words, to vectors of real numbers. — Tensorflow 社区
可以看到，Embedding 是真实世界中“离散”的实体，映射到“连续”向量空间的一种表示。这种“连续性”极大地增强了表示的易用性：
Sematic Search
语义检索：通用的语义检索，通过深度学习的训练，将真实世界数字化后的离散特征提取出来，投影到数学空间上，同时神奇的保留距离之间相似度的能力，这就是 embedding；例如：”图片“通过 embedding 映射在高维空间，图片的相似度检索就会变成“高维空间”Top K“距离求解”问题，也就是近似向量检索问题(Approximate Nearest Neighbor Search, ANNS)。在大模型出现之前，向量检索已经成熟并广泛应用在“推荐”、“文本/视频搜索”等领域了：
向量数据库介绍：
ChatGPT 掀起的大模型浪潮，embedding 在其中的核心地位，使得向量化数据库又成为时代新宠，各大数据库厂商和资本争相涌入：
如果说 LLM 是容易失忆的大脑，向量数据库就是海马体: 一方面，LLM 能浏览专用数据与知识，解决 Hallucination 的问题使回答更精准；另一方面，LLM 能回忆自己过往的经验与历史，更了解用户的需求，通过反思实现更好的个性化 AI Native : LLM 交互 记忆（专有数据 个性化） 多模态 Form Pinecone
大模型离不开向量检索：
多数厂商认为，为解决 LLM 无记忆，数据隐私等问题，向量数据库会成为未来大模型必然用到的组件，正如关系型数据库在 web 中的应用一样。为什么说大模型“没有记忆”，需要向量数据库呢？熟悉 LLM 的算法同学都了解，原生 LLM 的强大信息处理能力，仅限于有限的上下文“黄金窗口”；而有了向量数据库，LLM 可以检索到并组织起相关的“记忆碎片”，从而关联到海量的内容放入这个黄金窗口，因此也被人们誉为大模型的“海马体”。此外，embedding 作为一种数据脱敏的媒介，也可以降低中间数据传输的敏感性，对于数据隐私有一定的保护能力。看一个实际样例：
无记忆交互：LLM 世界知识被压缩为静态参数，模型不会随着交互记住记录和喜好，也无法调用额外的知识信息来辅助判断，因此只能根据历史训练做回答，经常产生幻觉。为解决这一问题，检索增强的“有记忆交互”便产生了.
有记忆交互：一个典型应用方法就是检索增强的语言模型（Retrieval Augmented LLMs），查询专用知识库和外部实时信息，帮助回答特定的问题。当模型需要记忆大量聊天记录或其它行业知识时，可将其存储处理后存在向量化数据库中，提问时匹配相似语料返回，使得答复更加有理有据、结合行业知识、减少幻觉。
市面上向量数据库总览：
如今市面上的向量数据库产品，大致分为两大类，一类是基于原生向量检索引擎实现了关系型数据库的开发；一类是基于原生数据库系统添加了向量检索功能：
- 从向量检索到数据库：Pinecone, weaviate ,chroma ,drant ..
- 从数据库到向量检索：Elasticsearch ,ClickHouse ,PG ,Redis ..
在我们的应用中，ClickHouse 以其出色的关系型查询性能成为了我们的首选:
我们再来看看 ClickHouse 社区官方宣传：“Specialized vector databases exist: who cares？ClickHouse is always the best : )”
这看起来确实有些嚣张了，那我们下面就用线上 case 来看看实际表现情况。
Vector Search in ClickHouse：
微信业务场景举例：
我们基于 ClickHouse 原生的向量数据库能力，在微信实际应用场景中进行了探索，取得了不错的效果：
1.用户 lookalike 定向场景：短视频红点投放中，例如客户提供万级量级种子包，画像系统使用 embedding 表征用户的特征和行为。为实现精准的人群 lookalike 投放，需要在数亿 embedding 中选择相似近邻来扩充人群包到百万甚至更多。原始业务为实现这一功能，基于批处理工具处理，难以精确求解；通过聚类方式求近似解也需要跑一周，且任务稳定性不足。算法工程师急需更便捷的工具流程来实现这一常用的业务功能。
2.文章 embedding 近似度分析：算法调试检索场景；例如实现一个——给“用户 A”推荐与 A“阅读习惯类似群体”阅读过的文章这个策略。研究员一般会采不同 embedding 模型 多类距离计算方式 不同的算法组合策等方式，尝试调试出主观上表现好召回策略，后续再上 AB 实验分析。此过程需要大量的手工调试分析，需要一种高效敏捷调试交互看板，进行策略探索；可以看到，我们主要关注近/离线加工场景中的向量化检索场景：特点是， 涉及计算量大(如 亿 * 亿 近似度计算)，长时间批处理而非高频点查，频繁调试、含有额外二次计算环节 。此类场景在 ANN 服务/“sim 服务"中无法分析加工，传统数仓又无法高效查询，搬移数据繁琐，而 ClickHouse 提供的 Vector Search in OLAP 能力可以很好地满足这类需求。
如何使用：
在 ClickHouse 内利用 Array(FloatXX)来表示不同精度的 embedding，提供如下距离计算方式：
- Cosine Distance: cosineDistance(vector1, vector2),This gives us a Cosine similarity
- L2 Distance: L2Distance(vector1, vector2),This measures the L2 distance between 2 points
1.建表并导入数据：
代码语言：javascript复制CREATE TABLE laion
(
`url` String,
`caption` String,
`text_embedding` Array(Float32),
`image_embedding` Array(Float32),
`similarity` Float64
）
ENGINE = MergeTree
ORDER BY (similarity)
2.查询分析：点查样例
查询优化：
样例：拿一个实际业务 User-Items-Items 的查询优化举例，对于一个精确求解(暴力求解)的计算的需求，可通过一些简单优化提升性能，从 16s 优化到 1s；
算法需求描述：先求某个 id 对应的集合 Items_emb_set，再遍历每个 item 求解它离 items_emb_set 集合每个元素的平均值，并按照每个分类取距离最近一条;
可看到算法还是有些复杂的，通过 SQL 表达会让调试不同的组合策略更容易：
代码语言：javascript复制with ( -- id ->items_set
select groupUniqArray(itemid) from table
where xxx IN ('1234') and day_='2023-06-18' ) as itemid_filter_arr
,( -- items_ids -> [items_emb,items_emb]
select groupArray(embedding) AS arr1 FROM table
WHERE emb_type = 'xxx' and has(itemid_filter_arr,itemid)) as emb_set
,embedding AS emb_l
,arrayReduce('avg',arrayMap(x -> cosineDistance(x,emb_l),emb_set)) as cosineDistance --
select itemid,title,xxx, 1-cosineDistance as similarity FROM table
WHERE emb_type = 'xxx' order by cosineDistance asc
limit 1 by xxx
原始 SQL 需要跑 16s ,优化方式如下：
- SQL 改写：采用 with 替代 Join，减少冗余计算；prefilter 提前过滤不必要元素
- 数据结构优化：使用 zstd 压缩；float 32 -> bfloat 16，业务原始模型不需要这么高的精度，通过降低性能精度提升性能,这是模型训练常见的做法;如：reinterpretAsFloat32(bitAnd(reinterpretAsUInt32(toFloat320rZero (x)), 0xFFFF0000))
- 参数调优：对于百万到千万级的数据，part 数较少导致线程并行度低，通过指定线程，强制分片的方式提升性能，解决线程间数据倾斜问题。如：merge_tree_min_rows_for_concurrent_read，force_repartition_after_reading_from_merge_tree 等参数。
业务原始科学探索，采用 SparkSQL 直接检索，字符串处理性能极差，处理分钟级别，改进后秒内返回；
内核优化：上述 case 在数据量大的经过 SQL 优化仍然会出现计算超时且 CPU 并没有打满，于是我们打开 profile tool, 发现执行过程中有大量的 data copy，时间开销巨大，于是我们重写了 embedding distance 相关的计算函数，消除了不必要的内存拷贝，并优化了特定场景下的计算逻辑，减少运算指令数量，使性能提升 4X 以上，如下图所示：内核优化前耗时在内存拷贝上，优化后主要在计算。
索引优化：
最近邻搜索(NNS)通常会转化为性能更好的近似最近邻搜索(ANNS, Approximate Nearest Neighbor Search)问题来解决,一般有至少 10X 以上性能提升；借助市面上优秀库索引来做近似求解问题，可保证高性能（1ms）且高召回(95%以上)，优秀的算法库诸如 FAISS, ScaNN, hnswlib：常见算法：
- 暴力检索：FLAT 结果 100% 召回，费算力
- 图搜索：HNSW 性能高，召回高，如 hnswlib
- 聚类倒排 量化 (IVF-PQ)：faiss 的 IVFx_HNSWy PQz 算法 10 ～ 30 倍压缩
- 树搜索：KD-Tree 、Annoy 实现简单，工业界较少用到 目前ClickHouse已支持的ANNS算法有Annoy和HNSW两类；社区版性能测下来还有有较大提升空间，会根据业务需要持续优化内核；
综合案例：近线流式加工处理 Pipeline 升级
案例背景：
OLAP 生态不仅可以做 vector search，还能做 emb 推理生成和 SQL 数据加工处理，我们看一个画像平台改造案例，穿插看一下该场景的通用泛化能力；早期画像采用“图谱标签”来表示用户画像，直观准确；近些年引入大模型 embedding 方式来进行补充；embedding 既能表现用户圈层、兴趣聚合等高维抽象关系，又具有较强的通用性和可拓展性；值得关注的是，用户画像和行为的 embedding 的生成更新的"新鲜度”，影响各业务对画像理解，涉及投放、推荐，增长等多个领域。
早期架构痛点：
- 多异构系统加工处理：原 Hadoop 生态加工处理慢，且涉及系统多，数据存多份，流程复杂，调试麻烦；业务描述，常出现流程 emb 数据有重复，但是涉及维护团队多很难定位
- 缺乏联合检索能力：无法进行多列联合检索能力，如 vector search 全文检索 统计
- 新鲜度缺失：原有架构采用离线处理生态，无法进行 emb 画像实时生成和处理，导致线上画像新鲜度不够
改造前：PySpark 作数据加工，Python 脚本 hnswlib 库计算精准投放，ElasticSearch 全文检索，OLAP 做数据科学，离线全量推理耗时一周左右。
改造后：从离线架构到近线架构升级，近线实时增量处理，且流批一体，数据流转尽量少，生态统一，SQL 表达(部分功能灰度上线中)；
emb 生成服务：
通用 Embedding 生成服务：基于数据中心积累的一系列通用 Embedding 模型，我们可以便捷地嵌入 ClickHouse 能力之中，提供适配不同业务场景的 Embedding 计算服务。 用户 Embedding 生成服务：将用户的最新的画像和行为，表达为 embedding 从而刻画兴趣特征，它的更新频率直接影响整个微信各个业务对用户理解。此前采用传统批处理系统进行 embedding 处理生成，因为数据量大，流程繁琐造成 Pipeline 不稳定，维护工作量大，更新频率一般为季度；
下面我们来进行通过 ClickHouse 原有 SQL 能力 udf 进行改造：
1:编写 embedding 推理 udf：可本地 GPU 调用模型，也可以远程调用推理服务;
2.注册:udf 函数 text2Embedding yaml 文件
代码语言：javascript复制cat /etc/clickhouse-server/text2Embedding_function.yaml
function:
name: text2Embedding
type: executable_pool
pool_size: 2
format: TabSeparated
command: 'text2Embedding.py'
return_type: Array(Float32)
argument:
type: String
3.查询:
代码语言：javascript复制insert into xxx select text2Embedding(text) from table
性能优化效果：
借助 ClickHouse 内的 udf 函数功能，再实现推理 Python 脚本后，将含有 ClickHouse 的镜像部署到纯 GPU 计算集群，即实现高性能 emb 推理生成 pipeline(打满 A10 双卡 GPU)；
实时推荐训练都有明显的潮汐资源利用现象，借助 CK 存算分离的架构，可利用算力平台非保障低优 GPU 资源 (A100，H800) ，更好利用实时训练”凌晨低峰空闲“资源；
注：性能瓶颈主要在本地 GPU 推理服务上，已不在 ClickHouse udf 调用上和 IO 上；当然也可在 CPU 集群通过 udf batch 调用远程 tfcc 等推理服务。
线上采用 1.2B 画像大模型，经过多进程 池化重用 参数调优 数据结构优化 批处理等手段，可跑满 A10 CPU GPU ；推理性能仍有不少优化空间，后续有需要会继续与 tfcc 团队、画像团队持续优化；
机器环境 | 线上模型 mt5-large 1.2B 处理能力 |
|---|---|
CPU,IT5.16XLARGE256 | xx row/s |
GPU,NVIDIA A10 2 卡 (保障资源) | 256 rows/sec |
GPU,NVIDIA A100 8 卡（空闲期低优资源） | 2600 rows/sec |
GPU,NVIDIA H800 8 卡（空闲期低优资源) | xx rows/sec |
部分调优思路：
训练数据加工：
user embedding 生成后，为了支持后续召回，需要将 user embedding 与 item embedding 进行关联，格式化处理,后续供给BERDE轻量级“双塔语义编码模型”进行训练；此过程中主要是涉及亿级表 JOIN 操作，字符串操作，模型训练大 IO 串行读取，都是 SQL 擅长表达的范式，更复杂的操作可通过物化视图和字典来完成。
类似的 AI 流程中的“加工场景”比较常见，如 NLP 当中也存在 ETL 和文档去重流程，以及统计分析和全文检索需求，都有类似的加工 pipeline；
ods/dwd 表采用 OLAP 在加工处理适用场景：
- 对于中等规模(亿级)数据之间的 join，cube, bitmap 运算，ETL 等 SQL 操作，性能提升显著
- 超大规模数据，OLAP 稳定性尚不成熟，传统批处理组件当前更有优势
全文检索：
对于一些"文本探索"的联合查询通常需要全文检索功能,ClickHouse 早期也支持; ClickHouse 近期已支持"倒排索引”，性能更为出色，线上亿级数据测试可到达亚秒内返回；与专业的 ES 相比主要缺乏相关性算法支持(BM25 等)，但 数仓更多优势在于统计分析与海量数据加工处理能力，已可成为一些 ES 场景的平替产品 。
画像自助分析：
根据分类标签进行画像分析，提取用户包是各类投放、广告系统的对标签的常见用法，为了提升性能，通常这些运算都是建立在 bitmap 上的，更详细性能优化可参考《BitBooster 让微信分析提速 10 倍 》 ；
其它生态：
- 数据流：通过 ClickHouse -> Pulsar -> mkv ; ClickHouse -> hdfs -> fkv 提供线上业务支持；
- 精准投放：主要涉及 emb 点查分析，emb 批处理(小表对大表计算距离)，emb 海量计算等场景
- 科学探索：精细化运营 BI 看板查询，样本质量分析
- 推理探索：通过 udf 远程调用推理服务，使用一条 SQL 完成“模型调用” “数据分析”的融合查询
总结：何时需要一个专用的向量数据库？
仓内优势：离/近线分析处理 All in One 如果你的数据正巧要在数仓内存储一份，并且有“向量检索”以及"科学探索"需求，偶尔进行批处理，OLAP 数仓内将是你的最佳选择！算法同学将从四处奔走各个系统中解脱出来：
- ALL in One: 科学探索，全文检索、数据加工 Pipeline，Vector Search，训练存储一体化，省去了多个存储系统之间的交互流程问题与多份存储 ，这多数时候是真实痛点 。
- SQL 表达：交互友好，高效的元数据过滤(post-filter/pre-filter)，便捷的聚合统计操作，丰富的函数，以及 udf 扩展功能，让自定义扩展游刃有余。
- 海量数据下的高性能：借助 ClickHouse 原始引擎的向量化执行、极致工程实现、MPP 分布式架构，将提供 TB 级数据 5X 以上性能提升，远超“传统批处理”框架的加工分析能力。
- 融合检索：全文检索 vector 检索 统计分析 即时推理 一站式 SQL 体验 例如，回答问题：作者是小 A，文章中含有"大模型"关键字，且 embedding 近似小于 0.03 ，在各类别下相似文章的分别有多少 ？
你很多时候更需要专业的 sim 检索服务：All in One 的支持也意味着部分“专项性能缺失”，以下场景建议采用更专业的“sim 检索服务”,“向量数据库”支持：
- 高 qps 下的低延迟：在线推荐服务召回通常有更高性能要求，优秀的 sim 检索服务可提供 100 万 qps 的 1ms 低延迟查询，且有 98%以上的召回率；
- 与业务系统的亲和度高：sim 检索服务对业务亲和度更高，定制化专项需求更友好，而标准数据库则更注重其通用型； 此类专用系统出色的能力，都 OLAP 架构设计望尘莫及的；
湖仓融合趋势和现代 OLAP 的发展，让大数据数仓和专业数据库的边界正在日趋模糊，那它们的边界又该哪里？实践会给我们答案。
道阻且长，行则将至；行而不辍，未来可期。
引用：
- ClickHouse with AI
- Vector Search with CLickHouse Vector Search with ClickHouse - Part 1
- Vector Database 研究报告
腾讯云数据仓库 TCHouse-C 是基于ClickHouse打造全托管云端产品，为您的一站式向量检索分析带来全新体验，解锁数据的无限潜力。
