在 PostgreSQL 上将向量搜索扩展至 10 亿规模

对于希望自行部署十亿级规模向量搜索的团队而言，真正的挑战往往不在于原始性能，而在于实用性。许多专为十亿级规模、低延迟向量搜索而设计的解决方案都伴随着诸多现实约束，需要在各种权衡中做出妥协，从而影响了落地的难易程度。

现有的大多数方案通常属于以下几类之一：

• 运维复杂：依赖多节点分布式系统，长期管理、运维和维护的难度较高。

• 构建耗时过长：需要漫长的索引构建时间，导致重建索引成本高昂，且极易影响生产环境负载。

• 内存开销巨大：单机往往需要高达 1 TB 的内存，高昂的硬件成本让大多数团队望而却步。

这些权衡在现有的公开基准测试中清晰可见。例如，ScyllaDB 报告在 DEEP-1B 数据集上实现了高达 98% 的召回率和 12.3 ms 的 P99 延迟，但这一结果依赖于多台大型实例。而在相同数据集和规模下，YugabyteDB 报告的长尾延迟明显更高，P99 达到了 0.319 秒。

在单节点部署方面，Scalable Vector Search (SVS) 此前的研究表明，使用 HNSWlib 为 DEEP-1B 构建索引通常需要 800 GiB 内存；尽管 SVS 或 FAISS-IVFPQs 可以将其降低至约 300 GiB，但这依然是一笔可观的硬件开销。

这使得希望坚持自托管的团队很难实现平滑扩展。从 100 万向量扩展到 10 亿向量，往往需要重新思考架构：要么改变硬件假设，要么重构业务工作流。

借助 VectorChord 1.0.0，规模扩展变得前所未有地简单。得益于全新的层次化 K-means（Hierarchical K-means）及其他优化，构建 10 亿向量索引与构建 100 万向量索引的流程完全一致。这也是我们实际使用它的方式：只需迁移到一台配置稍高一点的机器，例如从 AWS i7i.xlarge 升级到 i7i.4xlarge。

DEEP-1B 基准测试

为了验证 VectorChord 在十亿级向量规模下的能力，我们采用了来自 BIGANN 的 Yandex DEEP-1B 数据集。DEEP-1B 是大规模向量搜索领域广泛采用的基准数据集，包含由自然图像训练的深度学习模型生成的 10 亿条 96 维向量嵌入（embeddings）。

由于其庞大的规模，DEEP-1B 被广泛用作评估大规模向量搜索系统的基准数据集。其广泛的普及度使得测试结果易于复现和对比，尤其是在评估十亿级向量规模下的索引构建性能、查询延迟和资源效率时。

面对如此庞大的数据集，构建 VectorChord 索引需要：

• 存储：约 900 GB 的高性能 SSD

• 内存（shared_buffers）：不低于 60 GB，由 PostgreSQL 管理

• 内存（额外开销）：索引构建期间至少需要 60 GB 额外内存

基于上述要求，AWS i7i.4xlarge 是该规模下构建索引的最低配置。我们的测试在一台 AWS i7ie.6xlarge 上运行，这反映了实际生产部署中的常见做法——通过配置更多内存来减少磁盘访问并保持稳定的查询延迟。

所有实验均在 PostgreSQL 17 上使用 VectorChord 1.0.0 运行。下方 SQL 是我们用于构建索引的完整命令：

CREATE INDEX ON deep USING vchordrq (embedding vector_l2_ops) WITH (options = $$
build.pin = 2
residual_quantization = true
[build.internal]
build_threads = 24
lists = [800, 640000]
kmeans_algorithm.hierarchical = {}
$$);

构建配置中各个选项的作用如下：

• build.pin：启用构建期内存固定（pinning），将索引的热点部分缓存在共享内存中，从而加速大规模数据集上的索引构建。

• residual_quantization：在 DEEP-1B 上，我们发现启用**残差量化（residual quantization）**能够提升查询性能，因此在本基准测试中保持开启。

• build.internal.build_threads：在 K-means 构建阶段使用 24 个线程，充分跑满实例上的可用 CPU 资源。

• build.internal.lists：根据我们的经验，应根据数据行数选择合适的聚类列表大小。在大规模场景下，使用**双层列表（two-level list）**效果显著，能同时提升索引构建效率与查询性能。

• build.internal.kmeans_algorithm.hierarchical：启用 VectorChord 1.0 引入的**层次化 K-means（Hierarchical K-means）**路径，大幅加快大规模索引的构建速度。

测试结果

在单台 AWS i7ie.6xlarge 机器上使用 24 个 CPU 核心时，索引构建仅耗时 **6,408 秒（约 1.8 小时）**即告完成，证明十亿级规模的索引构建完全可以在切实可行的维护窗口内完成。

下图展示了在缓存预热（warm cache）状态下，使用单搜索线程在 Deep1B 数据集上评估 Top-10 和 Top-100 查询时的查询吞吐量（QPS）与召回率（Recall）关系。

对于 Top-10 查询，吞吐量从约 0.91 召回率下的超过 117 QPS，变化至约 0.95 召回率下的约 69 QPS。Top-100 查询也遵循相同的规律，随着召回率的提高，吞吐量相应下降。

下表列出了每个数据点对应的具体搜索参数（固定 epsilon = 1.9，改变探测聚类数 probes）。综合图表数据可以看出，即使在 10 亿向量规模下，VectorChord 依然能在单机上提供稳定且可调优的查询性能。

这些结果表明，即便在十亿级规模下，单机上的向量查询性能依然可以做到实用且可预测。

总结

VectorChord 1.0.0 证明了实时向量搜索可以从 100 万向量平滑扩展至 10 亿向量，而无需强迫用户改变架构、工作流或使用方式。无论您是在构建以图搜图、AI 驱动的应用，还是 RAG 流水线，VectorChord 都旨在成为运行在您自己机器上的可靠向量引擎，随数据增长而自然扩展。

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