Como otimizar o desempenho ao usar `pgvector` no Banco de Dados do Azure para PostgreSQL - Servidor Flexível

Artigo
08/15/2024

APLICA-SE A: Banco de Dados do Azure para PostgreSQL - Servidor Flexível

A pgvector extensão adiciona uma pesquisa de semelhança vetorial de código aberto ao Banco de Dados do Azure para servidor flexível PostgreSQL.

Este artigo explora as limitações e compensações e mostra como usar as configurações de pgvector particionamento, indexação e pesquisa para melhorar o desempenho.

Para obter mais informações sobre a extensão em si, consulte as noções básicas de pgvector. Você também pode querer consultar o LEIA-ME oficial do projeto.

Desempenho

Você deve sempre começar investigando o plano de consulta. Se a sua consulta terminar razoavelmente rápido, execute EXPLAIN (ANALYZE,VERBOSE, BUFFERS).

EXPLAIN (ANALYZE, VERBOSE, BUFFERS) SELECT * FROM t_test ORDER BY embedding <-> '[1,2,3]' LIMIT 5;

Para consultas que levam muito tempo para serem executadas, considere descartar a ANALYZE palavra-chave. O resultado contém menos detalhes, mas é fornecido instantaneamente.

EXPLAIN (VERBOSE, BUFFERS) SELECT * FROM t_test ORDER BY embedding <-> '[1,2,3]' LIMIT 5;

Sites de terceiros, como explain.depesz.com podem ser úteis para entender os planos de consulta. Algumas perguntas que você deve tentar responder são:

A consulta foi paralelizada?
Foi utilizado um índice?
Utilizei a mesma condição na cláusula WHERE que numa definição de índice parcial?
Se eu usar particionamento, as partições não necessárias foram removidas?

Se seus vetores são normalizados para o comprimento 1, como incorporações OpenAI. Você deve considerar o uso do produto interno (<#>) para obter o melhor desempenho.

Execução paralela

Na saída do seu plano explicativo, procure Workers Planned e Workers Launched (último apenas quando ANALYZE a palavra-chave foi usada). O max_parallel_workers_per_gather parâmetro PostgreSQL define quantos trabalhadores em segundo plano o banco de dados pode iniciar para cada Gather nó e planejar Gather Merge . Aumentar esse valor pode acelerar suas consultas de pesquisa exatas sem precisar criar índices. No entanto, observe que o banco de dados pode não decidir executar o plano em paralelo, mesmo quando esse valor é alto.

EXPLAIN SELECT * FROM t_test ORDER BY embedding <-> '[1,2,3]' LIMIT 3;

                                        QUERY PLAN
------------------------------------------------------------------------------------------
 Limit  (cost=4214.82..4215.16 rows=3 width=33)
   ->  Gather Merge  (cost=4214.82..13961.30 rows=84752 width=33)
         Workers Planned: 1
         ->  Sort  (cost=3214.81..3426.69 rows=84752 width=33)
               Sort Key: ((embedding <-> '[1,2,3]'::vector))
               ->  Parallel Seq Scan on t_test  (cost=0.00..2119.40 rows=84752 width=33)
(6 rows)

Indexação

Sem índices presentes, a extensão realiza uma pesquisa exata, que proporciona um recall perfeito em detrimento do desempenho.

Para realizar a pesquisa aproximada do vizinho mais próximo, você pode criar índices em seus dados, que negociam recall para desempenho de execução.

Sempre que possível, carregue sempre os dados antes de indexá-los. É mais rápido criar o índice dessa maneira e o layout resultante é mais ideal.

Há dois tipos de índice suportados:

Arquivo invertido com compactação plana (IVVFlat)
Pequenos Mundos Navegáveis Hierárquicos (HNSW)

O IVFFlat índice tem tempos de compilação mais rápidos e usa menos memória do que HNSWo , mas tem menor desempenho de consulta (em termos de compensação de recuperação de velocidade).

Limites

Para indexar uma coluna, ela tem que ter dimensões definidas. A tentativa de indexar uma coluna definida como col vector resulta no erro: ERROR: column does not have dimensions.
Só é possível indexar uma coluna que tenha até 2000 dimensões. A tentativa de indexar uma coluna com mais dimensões resulta no erro: ERROR: column cannot have more than 2000 dimensions for INDEX_TYPE index onde INDEX_TYPE está ou ivfflat hnsw.

Embora você possa armazenar vetores com mais de 2000 dimensões, não é possível indexá-los. Você pode usar a redução de dimensionalidade para se encaixar dentro dos limites. Como alternativa, confie no particionamento e/ou fragmentação com o Azure Cosmos DB para PostgreSQL para obter um desempenho aceitável sem indexação.

Arquivo invertido com compactação plana (IVVFlat)

O ivfflat é um índice para pesquisa de vizinho mais próximo aproximado (ANN). Esse método usa um índice de arquivo invertido para particionar o conjunto de dados em várias listas. O parâmetro probes controla quantas listas são pesquisadas, o que pode melhorar a precisão dos resultados da pesquisa ao custo de uma velocidade de pesquisa mais lenta.

Se o parâmetro probes for definido como o número de listas no índice, todas as listas serão pesquisadas e a pesquisa se tornará uma pesquisa de vizinho mais próximo exata. Nesse caso, o planejador não está usando o índice porque pesquisar todas as listas equivale a executar uma pesquisa de força bruta em todo o conjunto de dados.

O método de indexação particiona o conjunto de dados em várias listas usando o algoritmo de agrupamento k-means. Cada lista contém vetores mais próximos de um determinado centro de cluster. Durante uma pesquisa, o vetor de consulta é comparado aos centros de cluster para determinar quais listas têm maior probabilidade de conter os vizinhos mais próximos. Se o parâmetro probes for definido como 1, apenas a lista correspondente ao centro de cluster mais próximo será pesquisada.

Opções de índice

Selecionar o valor correto para o número de testes a serem executados e os tamanhos das listas pode afetar o desempenho da pesquisa. Bons lugares para começar são:

Use lists igual a rows / 1000 para tabelas com até 1 milhão de linhas e sqrt(rows) para conjuntos de dados maiores.
Para probes começar lists / 10 , para tabelas de até 1 milhão de linhas e sqrt(lists) para conjuntos de dados maiores.

A quantidade de é definida após a criação do lists índice com a lists opção:

CREATE INDEX t_test_embedding_cosine_idx ON t_test USING ivfflat (embedding vector_cosine_ops) WITH (lists = 5000);

Os testes podem ser definidos para toda a conexão ou por transação (usando SET LOCAL dentro de um bloco de transação):

SET ivfflat.probes = 10;
SELECT * FROM t_test ORDER BY embedding <=> '[1,2,3]' LIMIT 5; -- uses 10 probes
SELECT * FROM t_test ORDER BY embedding <=> '[1,2,3]' LIMIT 5; -- uses 10 probes

BEGIN;

SET LOCAL ivfflat.probes = 10;
SELECT * FROM t_test ORDER BY embedding <=> '[1,2,3]' LIMIT 5; -- uses 10 probes

COMMIT;

SELECT * FROM t_test ORDER BY embedding <=> '[1,2,3]' LIMIT 5; -- uses default, one probe

Progresso da indexação

Com o PostgreSQL 12 e versões mais recentes, você pode usar pg_stat_progress_create_index para verificar o progresso da indexação.

SELECT phase, round(100.0 * tuples_done / nullif(tuples_total, 0), 1) AS "%" FROM pg_stat_progress_create_index;

As fases para a construção de índices IVFFlat são:

initializing
performing k-means
assigning tuples
loading tuples

Nota

A percentagem de progresso (%) só é preenchida durante a loading tuples fase.

Pequenos Mundos Navegáveis Hierárquicos (HNSW)

O hnsw é um índice para pesquisa de vizinho mais próximo aproximado (ANN) usando o algoritmo Hierarchical Navigable Small Worlds. Ele funciona criando um gráfico em torno de pontos de entrada selecionados aleatoriamente encontrando seus vizinhos mais próximos, o gráfico é então estendido com várias camadas, cada camada inferior contendo mais pontos. Este gráfico multicamadas, quando pesquisado, começa na parte superior, estreitando-se até atingir a camada mais baixa que contém os vizinhos mais próximos da consulta.

A criação desse índice leva mais tempo e memória do que o IVFFlat, no entanto, ele tem uma compensação de recuperação de velocidade melhor. Além disso, não há nenhuma etapa de treinamento como com o IVFFlat, então o índice pode ser criado em uma tabela vazia.

Opções de índice

Ao criar o índice, você pode ajustar dois parâmetros:

m - número máximo de conexões por camada (padrão para 16)
ef_construction - tamanho da lista dinâmica de candidatos usada para a construção de gráficos (padrão 64)

CREATE INDEX t_test_hnsw_l2_idx ON t_test USING hnsw (embedding vector_l2_ops) WITH (m = 16, ef_construction = 64);

Durante as consultas, você pode especificar a lista dinâmica de candidatos para pesquisa (o padrão é 40).

A lista dinâmica de candidatos para pesquisa pode ser definida para toda a conexão ou por transação (usando SET LOCAL dentro de um bloco de transação):

SET hnsw.ef_search = 100;
SELECT * FROM t_test ORDER BY embedding <=> '[1,2,3]' LIMIT 5; -- uses 100 candidates
SELECT * FROM t_test ORDER BY embedding <=> '[1,2,3]' LIMIT 5; -- uses 100 candidates

BEGIN;

SET hnsw.ef_search = 100;
SELECT * FROM t_test ORDER BY embedding <=> '[1,2,3]' LIMIT 5; -- uses 100 candidates

COMMIT;

SELECT * FROM t_test ORDER BY embedding <=> '[1,2,3]' LIMIT 5; -- uses default, 40 candidates

Progresso da indexação

Com o PostgreSQL 12 e versões mais recentes, você pode usar pg_stat_progress_create_index para verificar o progresso da indexação.

SELECT phase, round(100.0 * blocks_done / nullif(blocks_total, 0), 1) AS "%" FROM pg_stat_progress_create_index;

As fases para a construção de índices HNSW são:

initializing
loading tuples

Selecionando a função de acesso ao índice

O vector tipo permite realizar três tipos de pesquisas nos vetores armazenados. Você precisa selecionar a função de acesso correta para seu índice para que o banco de dados considere seu índice ao executar suas consultas. Os exemplos demonstram sobre os tipos de ivfflat índice, no entanto, o mesmo pode ser feito para hnsw os índices. A lists opção só se aplica a ivfflat índices.

Distância cosseno

Para pesquisa de semelhança de cosseno, use o método de vector_cosine_ops acesso.

CREATE INDEX t_test_embedding_cosine_idx ON t_test USING ivfflat (embedding vector_cosine_ops) WITH (lists = 100);

Para usar o índice acima, a consulta precisa realizar uma pesquisa de semelhança cosseno, que é feita com o <=> operador.

EXPLAIN SELECT * FROM t_test ORDER BY embedding <=> '[1,2,3]' LIMIT 5;

                                              QUERY PLAN
------------------------------------------------------------------------------------------------------
 Limit  (cost=5.02..5.23 rows=5 width=33)
   ->  Index Scan using t_test_embedding_cosine_idx on t_test  (cost=5.02..175.06 rows=4003 width=33)
         Order By: (embedding <=> '[1,2,3]'::vector)
(3 rows)

Distância L2

Para a distância L2 (também conhecida como distância euclidiana), use o método de vector_l2_ops acesso.

CREATE INDEX t_test_embedding_l2_idx ON t_test USING ivfflat (embedding vector_l2_ops) WITH (lists = 100);

Para usar o índice acima, a consulta precisa realizar uma pesquisa de distância L2, que é feita com o <-> operador.

EXPLAIN SELECT * FROM t_test ORDER BY embedding <-> '[1,2,3]' LIMIT 5;

                                            QUERY PLAN
--------------------------------------------------------------------------------------------------
 Limit  (cost=5.02..5.23 rows=5 width=33)
   ->  Index Scan using t_test_embedding_l2_idx on t_test  (cost=5.02..175.06 rows=4003 width=33)
         Order By: (embedding <-> '[1,2,3]'::vector)
(3 rows)

Produto interno

Para semelhança interna do produto, use o método de vector_ip_ops acesso.

CREATE INDEX t_test_embedding_ip_idx ON t_test USING ivfflat (embedding vector_ip_ops) WITH (lists = 100);

Para usar o índice acima, a consulta precisa realizar uma pesquisa interna de similaridade de produto, que é feita com o <#> operador.

EXPLAIN SELECT * FROM t_test ORDER BY embedding <#> '[1,2,3]' LIMIT 5;

                                            QUERY PLAN
--------------------------------------------------------------------------------------------------
 Limit  (cost=5.02..5.23 rows=5 width=33)
   ->  Index Scan using t_test_embedding_ip_idx on t_test  (cost=5.02..175.06 rows=4003 width=33)
         Order By: (embedding <#> '[1,2,3]'::vector)
(3 rows)

Índices parciais

Em alguns cenários, é benéfico ter um índice que cubra apenas um conjunto parcial de dados. Podemos, por exemplo, criar um índice apenas para os nossos utilizadores premium:

CREATE INDEX t_premium ON t_test USING ivfflat (vec vector_ip_ops) WITH (lists = 100) WHERE tier = 'premium';

Agora podemos ver que o nível premium agora usa o índice:

explain select * from t_test where tier = 'premium' order by vec <#> '[2,2,2]';

                                     QUERY PLAN
------------------------------------------------------------------------------------
 Index Scan using t_premium on t_test  (cost=65.57..25638.05 rows=245478 width=39)
   Order By: (vec <#> '[2,2,2]'::vector)
(2 rows)

Enquanto os usuários do nível gratuito não têm o benefício:

explain select * from t_test where tier = 'free' order by vec <#> '[2,2,2]';

                              QUERY PLAN
-----------------------------------------------------------------------
 Sort  (cost=44019.01..44631.37 rows=244941 width=39)
   Sort Key: ((vec <#> '[2,2,2]'::vector))
   ->  Seq Scan on t_test  (cost=0.00..15395.25 rows=244941 width=39)
         Filter: (tier = 'free'::text)
(4 rows)

Ter apenas um subconjunto de dados indexados significa que o índice ocupa menos espaço no disco e é mais rápido de pesquisar.

O PostgreSQL pode não reconhecer que o índice é seguro de usar se o WHERE formulário usado na cláusula da definição de índice parcial não corresponder ao usado em suas consultas. Em nosso conjunto de dados de exemplo, temos apenas os valores 'free''test' exatos e 'premium' como os valores distintos da coluna de camada. Mesmo com uma consulta usando tier LIKE 'premium' PostgreSQL não está usando o índice.

explain select * from t_test where tier like 'premium' order by vec <#> '[2,2,2]';

                              QUERY PLAN
-----------------------------------------------------------------------
 Sort  (cost=44086.30..44700.00 rows=245478 width=39)
   Sort Key: ((vec <#> '[2,2,2]'::vector))
   ->  Seq Scan on t_test  (cost=0.00..15396.59 rows=245478 width=39)
         Filter: (tier ~~ 'premium'::text)
(4 rows)

Criação de partições

Uma maneira de melhorar o desempenho é dividir o conjunto de dados em várias partições. Podemos imaginar um sistema em que é natural fazer referência a dados apenas do ano atual ou talvez dos últimos dois anos. Em tal sistema, você pode particionar seus dados por um intervalo de datas e, em seguida, capitalizar sobre o desempenho melhorado quando o sistema é capaz de ler apenas as partições relevantes, conforme definido pelo ano consultado.

Vamos definir uma tabela particionada:

CREATE TABLE t_test_partitioned(vec vector(3), vec_date date default now()) partition by range (vec_date);

Podemos criar partições manualmente para cada ano ou usar a função de utilitário Citus (disponível no Cosmos DB para PostgreSQL).

    select create_time_partitions(
      table_name         := 't_test_partitioned',
      partition_interval := '1 year',
      start_from         := '2020-01-01'::timestamptz,
      end_at             := '2024-01-01'::timestamptz
    );

Verifique as partições criadas:

\d+ t_test_partitioned

                                Partitioned table "public.t_test_partitioned"
  Column  |   Type    | Collation | Nullable | Default | Storage  | Compression | Stats target | Description
----------+-----------+-----------+----------+---------+----------+-------------+--------------+-------------
 vec      | vector(3) |           |          |         | extended |             |              |
 vec_date | date      |           |          | now()   | plain    |             |              |
Partition key: RANGE (vec_date)
Partitions: t_test_partitioned_p2020 FOR VALUES FROM ('2020-01-01') TO ('2021-01-01'),
            t_test_partitioned_p2021 FOR VALUES FROM ('2021-01-01') TO ('2022-01-01'),
            t_test_partitioned_p2022 FOR VALUES FROM ('2022-01-01') TO ('2023-01-01'),
            t_test_partitioned_p2023 FOR VALUES FROM ('2023-01-01') TO ('2024-01-01')

Para criar manualmente uma partição:

CREATE TABLE t_test_partitioned_p2019 PARTITION OF t_test_partitioned FOR VALUES FROM ('2019-01-01') TO ('2020-01-01');

Em seguida, certifique-se de que suas consultas realmente filtram para um subconjunto de partições disponíveis. Por exemplo, na consulta abaixo, filtramos para duas partições:

explain analyze select * from t_test_partitioned where vec_date between '2022-01-01' and '2024-01-01';

                                                                  QUERY PLAN
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
 Append  (cost=0.00..58.16 rows=12 width=36) (actual time=0.014..0.018 rows=3 loops=1)
   ->  Seq Scan on t_test_partitioned_p2022 t_test_partitioned_1  (cost=0.00..29.05 rows=6 width=36) (actual time=0.013..0.014 rows=1 loops=1)
         Filter: ((vec_date >= '2022-01-01'::date) AND (vec_date <= '2024-01-01'::date))
   ->  Seq Scan on t_test_partitioned_p2023 t_test_partitioned_2  (cost=0.00..29.05 rows=6 width=36) (actual time=0.002..0.003 rows=2 loops=1)
         Filter: ((vec_date >= '2022-01-01'::date) AND (vec_date <= '2024-01-01'::date))
 Planning Time: 0.125 ms
 Execution Time: 0.036 ms

Você pode indexar uma tabela particionada.

CREATE INDEX ON t_test_partitioned USING ivfflat (vec vector_cosine_ops) WITH (lists = 100);

explain analyze select * from t_test_partitioned where vec_date between '2022-01-01' and '2024-01-01' order by vec <=> '[1,2,3]' limit 5;

                                                                                         QUERY PLAN
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
 Limit  (cost=4.13..12.20 rows=2 width=44) (actual time=0.040..0.042 rows=1 loops=1)
   ->  Merge Append  (cost=4.13..12.20 rows=2 width=44) (actual time=0.039..0.040 rows=1 loops=1)
         Sort Key: ((t_test_partitioned.vec <=> '[1,2,3]'::vector))
         ->  Index Scan using t_test_partitioned_p2022_vec_idx on t_test_partitioned_p2022 t_test_partitioned_1  (cost=0.04..4.06 rows=1 width=44) (actual time=0.022..0.023 rows=0 loops=1)
               Order By: (vec <=> '[1,2,3]'::vector)
               Filter: ((vec_date >= '2022-01-01'::date) AND (vec_date <= '2024-01-01'::date))
         ->  Index Scan using t_test_partitioned_p2023_vec_idx on t_test_partitioned_p2023 t_test_partitioned_2  (cost=4.08..8.11 rows=1 width=44) (actual time=0.015..0.016 rows=1 loops=1)
               Order By: (vec <=> '[1,2,3]'::vector)
               Filter: ((vec_date >= '2022-01-01'::date) AND (vec_date <= '2024-01-01'::date))
 Planning Time: 0.167 ms
 Execution Time: 0.139 ms
(11 rows)

Próximos passos

Parabéns, você acabou de aprender as compensações, limitações e melhores práticas para alcançar o melhor desempenho com pgvectoro .

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Desempenho

Execução paralela

Indexação

Limites

Arquivo invertido com compactação plana (IVVFlat)

Opções de índice

Progresso da indexação

Pequenos Mundos Navegáveis Hierárquicos (HNSW)

Opções de índice

Progresso da indexação

Selecionando a função de acesso ao índice

Distância cosseno

Distância L2

Produto interno

Índices parciais

Criação de partições

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Progresso da indexação

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Opções de índice

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