Milvus - GPU 索引类型及其应用场景

1. 背景概述

Milvus 是一款高效的矢量数据库管理系统，支持在高并发和高调用场景下加速相似度搜索。Milvus 的 GPU 支持由 NvidiaRAPIDS 团队提供，可以借助各种 GPU 索引类型来优化性能。本篇将重点解析 Milvus 支持的 GPU 索引类型、适用场景及各自的性能特点，并详细介绍如何配置和使用这些 GPU 索引，以帮助用户合理选择索引类型来提升系统吞吐量和召回率。

2. GPU 索引类型与性能分析

Milvus 支持多种 GPU 索引类型，包括 GPU_CAGRA、GPU_IVF_FLAT、GPU_IVF_PQ 和 GPU_BRUTE_FORCE，每种索引类型的优缺点和适用场景各不相同。

GPU_CAGRA

特点：适用于高吞吐量查询场景，具有较高的召回率。
适用场景：当面临大量并发请求或需要搜索大量向量时，GPU_CAGRA 是较为经济的选择，尤其适合推理级 GPU。

配置与使用：

# 配置索引参数
index_params = {"metric_type": "L2","index_type": "GPU_CAGRA","params": {"intermediate_graph_degree": 32,"graph_degree": 64,"build_algo": "IVF_PQ","cache_dataset_on_device": "false"}
}
# 创建索引
collection.create_index(field_name="embedding", index_params=index_params)

搜索参数：GPU_CAGRA 索引支持 itopk_size、search_width 等特有参数，用于控制搜索宽度和召回率。

search_params = {"params": {"itopk_size": 64,"search_width": 4}
}
results = collection.search(data=query_vectors, anns_field="embedding", param=search_params, limit=top_K)

GPU_IVF_FLAT

特点：该索引采用聚类和距离比较方式，对大型数据集有较快的查询速度。
适用场景：适合需要低延迟但仍要求高召回率的场景，尤其在需要找到大致准确的相似结果时更具性价比。

配置与使用：

# 配置索引参数
index_params = {"metric_type": "L2","index_type": "GPU_IVF_FLAT","params": {"nlist": 128,"cache_dataset_on_device": "false"}
}
# 创建索引
collection.create_index(field_name="embedding", index_params=index_params)

搜索参数：nprobe 控制访问的聚类数量，可以平衡查询速度和召回率。

search_params = {"params": {"nprobe": 16}
}
results = collection.search(data=query_vectors, anns_field="embedding", param=search_params, limit=top_K)

GPU_IVF_PQ

特点：通过乘积量化压缩向量存储空间，从而减少内存占用和计算时间。
适用场景：适用于需要快速响应但能容忍一定精度损失的场景。

配置与使用：

# 配置索引参数
index_params = {"metric_type": "L2","index_type": "GPU_IVF_PQ","params": {"nlist": 128,"m": 4,  # 量化因子数"nbits": 8,"cache_dataset_on_device": "false"}
}
# 创建索引
collection.create_index(field_name="embedding", index_params=index_params)

搜索参数：与 GPU_IVF_FLAT 类似，使用 nprobe 控制查询的准确性。

search_params = {"params": {"nprobe": 8}
}
results = collection.search(data=query_vectors, anns_field="embedding", param=search_params, limit=top_K)

GPU_BRUTE_FORCE

特点：该索引类型执行完全比较，保证召回率为 1，适合对召回率要求极高的场景。
适用场景：当需要获得绝对精确的查询结果时，GPU_BRUTE_FORCE 是首选，但由于耗费大量计算资源，仅适合小规模数据集或查询数量有限的情况。

配置与使用：

# 配置索引参数
index_params = {"metric_type": "L2","index_type": "GPU_BRUTE_FORCE"
}
# 创建索引
collection.create_index(field_name="embedding", index_params=index_params)

搜索参数：只需设置 top-K 值，无需额外参数。

results = collection.search(data=query_vectors, anns_field="embedding", limit=top_K)

3. 优化建议

使用 GPU 索引时，可以通过以下方式进一步优化性能：

缓存原始数据：如果内存允许，可以将 cache_dataset_on_device 设为 true，在 GPU 内存中缓存数据集以提升性能。
参数调优：根据业务场景和实际测试结果，调整 nlist、nprobe 等参数，以在召回率和速度之间找到平衡点。

总结

在 Milvus 中使用 GPU 索引可以大幅提高搜索效率，不同的 GPU 索引在 Milvus 中有不同的适用场景和参数配置。合理选择和配置索引类型，结合业务场景的需求，可以在查询速度、召回率和内存占用之间找到最佳平衡。希望本篇内容能帮助您深入理解 Milvus 的 GPU 索引类型，为数据检索和查询优化提供参考。