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ベクター検索インデックス

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ベクトル検索文書で説明されているように、ベクトル検索は、与えられたベクトルとデータベースに格納されているすべてのベクトルとの距離を計算することで、与えられたベクトルの上位K近傍（KNN）を特定します。このアプローチは正確な結果をもたらしますが、テーブルに多数のベクトルが含まれている場合、テーブル全体のスキャンが必要となるため、処理速度が低下する可能性があります1

検索効率を向上させるために、TiDBでは近似KNN（ANN）検索用のベクトル検索インデックスを作成できます。ベクトル検索にベクトルインデックスを使用すると、TiDBは精度をわずかに低下させるだけでクエリパフォーマンスを大幅に向上させ、通常90%以上の検索再現率を維持できます。

現在、TiDB はHNSW（階層的ナビゲート可能なスモールワールド）ベクトル検索インデックス アルゴリズムをサポートしています。

HNSWベクトルインデックスを作成する

HNSWは、最も人気のあるベクトルインデックスアルゴリズムの1つです。HNSWインデックスは、特定のケースでは最大98%という比較的高い精度で優れたパフォーマンスを提供します。

TiDB では、次のいずれかの方法で、 ベクトルデータ型の列に対して HNSW インデックスを作成できます。

  • テーブルを作成するときは、次の構文を使用して HNSW インデックスのベクター列を指定します。

    CREATE TABLE foo (
    id       INT PRIMARY KEY,
    embedding     VECTOR(5),
    VECTOR INDEX idx_embedding ((VEC_COSINE_DISTANCE(embedding)))
);

  • ベクター列がすでに含まれている既存のテーブルの場合は、次の構文を使用してベクター列の HNSW インデックスを作成します。

    CREATE VECTOR INDEX idx_embedding ON foo ((VEC_COSINE_DISTANCE(embedding)));
ALTER TABLE foo ADD VECTOR INDEX idx_embedding ((VEC_COSINE_DISTANCE(embedding)));

-- You can also explicitly specify "USING HNSW" to build the vector search index.
CREATE VECTOR INDEX idx_embedding ON foo ((VEC_COSINE_DISTANCE(embedding))) USING HNSW;
ALTER TABLE foo ADD VECTOR INDEX idx_embedding ((VEC_COSINE_DISTANCE(embedding))) USING HNSW;

注記：

ベクター検索インデックス機能は、テーブルのTiFlashレプリカに依存します。

  • テーブルの作成時にベクトル検索インデックスが定義されている場合、TiDB はテーブルのTiFlashレプリカを自動的に作成します。
  • テーブルの作成時にベクトル検索インデックスが定義されておらず、テーブルに現在TiFlashレプリカが存在しない場合は、テーブルにベクトル検索インデックスを追加する前に、手動でTiFlashレプリカを作成する必要があります。例: ALTER TABLE 'table_name' SET TIFLASH REPLICA 1; 。

HNSW ベクトル インデックスを作成するときは、ベクトルの距離関数を指定する必要があります。

  • コサイン距離: ((VEC_COSINE_DISTANCE(embedding)))
  • L2距離: ((VEC_L2_DISTANCE(embedding)))

ベクトルインデックスは、固定次元のベクトル列（例えば、 VECTOR(3)と定義された列）に対してのみ作成できます。ベクトル距離は、同じ次元のベクトル間でのみ計算できるため、非固定次元のベクトル列（例えば、 VECTORと定義された列）には作成できません。

その他の制限についてはベクトルインデックスの制限参照してください。

ベクトルインデックスを使用する

ベクトル検索インデックスは、次のようにORDER BY ... LIMIT句を使用して K 近傍検索クエリで使用できます。

SELECT *
FROM foo
ORDER BY VEC_COSINE_DISTANCE(embedding, '[1, 2, 3, 4, 5]')
LIMIT 10

ベクトル検索でインデックスを使用するには、 ORDER BY ... LIMIT句がベクトル インデックスの作成時に指定したものと同じ距離関数を使用していることを確認します。

フィルター付きベクトルインデックスを使用する

プレフィルター（ WHERE句を使用）を含むクエリは、SQLセマンティクスに従ってK近傍をクエリしていないため、ベクトルインデックスを利用できません。例：

-- For the following query, the `WHERE` filter is performed before KNN, so the vector index cannot be used:

SELECT * FROM vec_table
WHERE category = "document"
ORDER BY VEC_COSINE_DISTANCE(embedding, '[1, 2, 3]')
LIMIT 5;

フィルター付きのベクター インデックスを使用するには、まずベクター検索を使用して K 近傍を照会し、次に不要な結果をフィルター処理します。

-- For the following query, the `WHERE` filter is performed after KNN, so the vector index cannot be used:

SELECT * FROM
(
  SELECT * FROM vec_table
  ORDER BY VEC_COSINE_DISTANCE(embedding, '[1, 2, 3]')
  LIMIT 5
) t
WHERE category = "document";

-- Note that this query might return fewer than 5 results if some are filtered out.

インデックス構築の進行状況をビュー

大量のデータを挿入した後、その一部がTiFlashに即座に保存されない場合があります。既に保存されているベクターデータの場合、ベクター検索インデックスは同期的に構築されます。まだ保存されていないデータの場合、データが保存された時点でインデックスが構築されます。このプロセスはデータの精度と一貫性に影響を与えません。ベクター検索はいつでも実行でき、完全な結果を得ることができます。ただし、ベクターインデックスが完全に構築されるまでは、パフォーマンスは最適ではありません。

インデックス構築の進行状況を表示するには、次のようにINFORMATION_SCHEMA.TIFLASH_INDEXESテーブルをクエリします。

SELECT * FROM INFORMATION_SCHEMA.TIFLASH_INDEXES;
+---------------+------------+----------+-------------+---------------+-----------+----------+------------+---------------------+-------------------------+--------------------+------------------------+---------------+------------------+
| TIDB_DATABASE | TIDB_TABLE | TABLE_ID | COLUMN_NAME | INDEX_NAME    | COLUMN_ID | INDEX_ID | INDEX_KIND | ROWS_STABLE_INDEXED | ROWS_STABLE_NOT_INDEXED | ROWS_DELTA_INDEXED | ROWS_DELTA_NOT_INDEXED | ERROR_MESSAGE | TIFLASH_INSTANCE |
+---------------+------------+----------+-------------+---------------+-----------+----------+------------+---------------------+-------------------------+--------------------+------------------------+---------------+------------------+
| test          | tcff1d827  |      219 | col1fff     | 0a452311      |         7 |        1 | HNSW       |               29646 |                       0 |                  0 |                      0 |               | 127.0.0.1:3930   |
| test          | foo        |      717 | embedding   | idx_embedding |         2 |        1 | HNSW       |                   0 |                       0 |                  0 |                      3 |               | 127.0.0.1:3930   |
+---------------+------------+----------+-------------+---------------+-----------+----------+------------+---------------------+-------------------------+--------------------+------------------------+---------------+------------------+

  • インデックス構築の進捗状況は、 ROWS_STABLE_INDEXEDとROWS_STABLE_NOT_INDEXED列で確認できます。5がROWS_STABLE_NOT_INDEXEDになると、インデックス構築が完了します。

    参考までに、768次元の500MiBベクターデータセットのインデックス作成には最大20分かかる場合があります。インデクサーは複数のテーブルに対して並列実行できます。現在、インデクサーの優先度や速度の調整はサポートされていません。

  • デルタレイヤーの行数はROWS_DELTA_NOT_INDEXED列目で確認できます。TiFlashのstorageレイヤーのデータは、デルタレイヤーとステーブルレイヤーの2つのレイヤーに保存されます。デルタレイヤーには最近挿入または更新された行が保存され、書き込みワークロードに応じて定期的にステーブルレイヤーにマージされます。このマージプロセスはコンパクションと呼ばれます。

    Deltaレイヤーは常にインデックス化されません。最適なパフォーマンスを実現するには、DeltaレイヤーをStableレイヤーに強制的にマージし、すべてのデータがインデックス化されるようにすることができます。

    ALTER TABLE <TABLE_NAME> COMPACT;

    詳細についてはALTER TABLE ... COMPACT参照してください。

さらに、 ADMIN SHOW DDL JOBS;実行してrow count確認することで、DDLジョブの実行進捗状況を監視できます。ただし、 row count値はTIFLASH_INDEXESのrows_stable_indexedフィールドから取得されるため、この方法は完全に正確ではありません。この方法は、インデックス作成の進捗状況を追跡するための参照として使用できます。

ベクトルインデックスが使用されているかどうかを確認する

クエリがベクトルインデックスを使用しているかどうかを確認するには、 EXPLAINまたはEXPLAIN ANALYZEステートメントを使用しますTableFullScanエグゼキュータのoperator info列にannIndex:表示されている場合、このテーブルスキャンはベクトルインデックスを使用していることを意味します。

例: ベクトルインデックスが使用される

[tidb]> EXPLAIN SELECT * FROM vector_table_with_index
ORDER BY VEC_COSINE_DISTANCE(embedding, '[1, 2, 3]')
LIMIT 10;
+-----+-------------------------------------------------------------------------------------+
| ... | operator info                                                                       |
+-----+-------------------------------------------------------------------------------------+
| ... | ...                                                                                 |
| ... | Column#5, offset:0, count:10                                                        |
| ... | ..., vec_cosine_distance(test.vector_table_with_index.embedding, [1,2,3])->Column#5 |
| ... | MppVersion: 1, data:ExchangeSender_16                                               |
| ... | ExchangeType: PassThrough                                                           |
| ... | ...                                                                                 |
| ... | Column#4, offset:0, count:10                                                        |
| ... | ..., vec_cosine_distance(test.vector_table_with_index.embedding, [1,2,3])->Column#4 |
| ... | annIndex:COSINE(test.vector_table_with_index.embedding..[1,2,3], limit:10), ...     |
+-----+-------------------------------------------------------------------------------------+
9 rows in set (0.01 sec)

例: Top Kを指定していないためベクトルインデックスは使用されません

[tidb]> EXPLAIN SELECT * FROM vector_table_with_index
     -> ORDER BY VEC_COSINE_DISTANCE(embedding, '[1, 2, 3]');
+--------------------------------+-----+--------------------------------------------------+
| id                             | ... | operator info                                    |
+--------------------------------+-----+--------------------------------------------------+
| Projection_15                  | ... | ...                                              |
| └─Sort_4                       | ... | Column#4                                         |
|   └─Projection_16              | ... | ..., vec_cosine_distance(..., [1,2,3])->Column#4 |
|     └─TableReader_14           | ... | MppVersion: 1, data:ExchangeSender_13            |
|       └─ExchangeSender_13      | ... | ExchangeType: PassThrough                        |
|         └─TableFullScan_12     | ... | keep order:false, stats:pseudo                   |
+--------------------------------+-----+--------------------------------------------------+
6 rows in set, 1 warning (0.01 sec)

ベクトル インデックスが使用できない場合、原因の特定に役立つ警告が表示される場合があります。

-- Using a wrong distance function:
[tidb]> EXPLAIN SELECT * FROM vector_table_with_index
ORDER BY VEC_L2_DISTANCE(embedding, '[1, 2, 3]')
LIMIT 10;

[tidb]> SHOW WARNINGS;
ANN index not used: not ordering by COSINE distance

-- Using a wrong order:
[tidb]> EXPLAIN SELECT * FROM vector_table_with_index
ORDER BY VEC_COSINE_DISTANCE(embedding, '[1, 2, 3]') DESC
LIMIT 10;

[tidb]> SHOW WARNINGS;
ANN index not used: index can be used only when ordering by vec_cosine_distance() in ASC order

ベクトル検索のパフォーマンスを分析する

ベクトル インデックスの使用方法に関する詳細情報を確認するには、 EXPLAIN ANALYZEステートメントを実行し、出力のexecution info番目の列を確認します。

[tidb]> EXPLAIN ANALYZE SELECT * FROM vector_table_with_index
ORDER BY VEC_COSINE_DISTANCE(embedding, '[1, 2, 3]')
LIMIT 10;
+-----+--------------------------------------------------------+-----+
|     | execution info                                         |     |
+-----+--------------------------------------------------------+-----+
| ... | time:339.1ms, loops:2, RU:0.000000, Concurrency:OFF    | ... |
| ... | time:339ms, loops:2                                    | ... |
| ... | time:339ms, loops:3, Concurrency:OFF                   | ... |
| ... | time:339ms, loops:3, cop_task: {...}                   | ... |
| ... | tiflash_task:{time:327.5ms, loops:1, threads:4}        | ... |
| ... | tiflash_task:{time:327.5ms, loops:1, threads:4}        | ... |
| ... | tiflash_task:{time:327.5ms, loops:1, threads:4}        | ... |
| ... | tiflash_task:{time:327.5ms, loops:1, threads:4}        | ... |
| ... | tiflash_task:{...}, vector_idx:{                       | ... |
|     |   load:{total:68ms,from_s3:1,from_disk:0,from_cache:0},|     |
|     |   search:{total:0ms,visited_nodes:2,discarded_nodes:0},|     |
|     |   read:{vec_total:0ms,others_total:0ms}},...}          |     |
+-----+--------------------------------------------------------+-----+

注記：

実行情報は内部情報です。フィールドとフォーマットは予告なく変更される場合があります。これらに依存しないでください。

いくつかの重要なフィールドの説明:

  • vector_index.load.total : インデックスの読み込みにかかる合計時間。複数のベクターインデックスが並行して読み込まれる可能性があるため、このフィールドは実際のクエリ時間よりも長くなる可能性があります。
  • vector_index.load.from_s3 : S3 からロードされたインデックスの数。
  • vector_index.load.from_disk : ディスクからロードされたインデックスの数。インデックスは以前にS3からダウンロード済みです。
  • vector_index.load.from_cache : キャッシュから読み込まれたインデックスの数。インデックスは以前にS3からダウンロード済みです。
  • vector_index.search.total : インデックス内の検索にかかる合計時間。レイテンシーが大きい場合、通常、インデックスがコールド状態（一度もアクセスされていない、またはかなり前にアクセスされている状態）であるため、インデックス検索時に大量のI/O操作が発生します。複数のベクターインデックスが並列で検索される可能性があるため、このフィールドは実際のクエリ時間よりも長くなる場合があります。
  • vector_index.search.discarded_nodes : 検索中に参照されたが破棄されたベクトル行の数。これらの破棄されたベクトルは検索結果には考慮されません。この値が大きい場合、通常、 UPDATEまたはDELETEステートメントによって多くの古い行が発生していることを示します。

出力の解釈については、 EXPLAIN 、 EXPLAIN ANALYZE 、およびEXPLAIN コマンド参照してください。

制限事項

ベクトルインデックスの制限参照。

参照

  1. KNN 検索の説明は、ClickHouse ドキュメントのrschu1zeが作成した近似最近傍検索インデックスドキュメントに基づいており、Apache License 2.0 に基づいてライセンスされています。↩
Vector Search Index最終更新日 4/21/2025, 7:02:02 AM: docs: add attribution for KNN vector search description (#20809) (#20813)

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