Vektordatenbank – was ist das?

Eine Vektordatenbank (engl. vector database) ist eine Art von Datenbank, die ihre Daten als hochdimensionale Vektoren speichert, verwaltet und abruft. Lesen Sie weiter, um mehr über die Funktionsweise und Einsatzgebiete von Vektordatenbanken zu erfahren.

Was ist eine Vektordatenbank?

Wie bei einer traditionellen strukturierten Datenbank kann man in Vektordatenbanken viele verschiedene Arten von Daten speichern, inklusive Text, Bilder oder andere Medien. Der Unterschied liegt darin, wie die Daten gespeichert und abgefragt werden. Während Daten in regulären Datenbanken oft in einem indexierten tabellarischen Format gespeichert werden, werden Datenobjekte in Vektordatenbanken als hochdimensionale numerische Vektoren repräsentiert. Die Werte, die in einem Vektor stehen, kann man als Parameter verstehen, die jeweils eine Eigenschaft des originellen Datums beschreiben. So können Datensätze parametrisiert und nach Ähnlichkeitsmetriken verglichen und gebündelt werden.

Mit Vektordatenbanken ist es also viel leichter, Daten nach ihren groben Eigenschaften zu kategorisieren und abzufragen. Dies ist insbesondere für Machine-Learning- und Deep-Learning-Systeme vorteilhaft.

Wie funktionieren Vektordatenbanken?

Vektordatenbanken bieten im Vergleich zu traditionellen relationalen Datenbanken viele Vorteile im Bereich der künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens. Allerdings gibt es bei der Speicherung und Verwaltung von Vektordaten einige Herausforderungen. Die erste große Herausforderung dieser Datenbanken ist die Konvertierung von traditionellen digitalen Datenobjekte zu numerischen Vektoren, die die Eigenschaften dieser Datenobjekte akkurat repräsentieren. Bei dieser Aufgabe kommen Vektoreinbettungsmodelle ins Spiel.

Vektoren kann man als Koordinatenpunkte in einem mehrdimensionalen Raum verstehen. Der hochdimensionale Raum, in dem sich die in einer Vektordatenbank gespeicherte Vektoren befinden, nennt sich Vektoreinbettung (engl. vector embedding). Um von einem digitalen Datenobjekt auf eine entsprechende Vektoreinbettung zu kommen, benötigt man ein Vektoreinbettungsmodell. Ein Vektoreinbettungsmodell ist ein spezialisiertes Machine-Learning-Modell, das Datenobjekte analysiert und basierend auf ihrer Bedeutung und ihrem Kontext eine passende Vektorrepräsentation generiert.

Nehmen wir eine Vektordatenbank, die Wörter speichert und kategorisiert, als Beispiel. Die Wörter „Sushi“ und „Pasta“ haben trotz ihrer unterschiedlichen Schreibweise eine ähnliche semantische Bedeutung. Dementsprechend müsste das Einbettungsmodell für die beiden Wörter ähnliche Vektoreinbettungen erzeugen. Dazu könnte sich das Modell beispielsweise die textuellen Kontexte analysieren, in denen die beiden Wörter oft vorkommen.

Das Abfragen von Daten aus der Vektordatenbank erfolgt auf ähnliche Weise wie das Eintragen. Das Einbettungsmodell generiert für die Abfrage selbst einen passenden Vektor (bzw. Koordinatenpunkt im hochdimensionalen Raum). Durch auf Vektoren spezialisierte mathematische Algorithmen werden dann die naheliegendsten Vektoren gefunden. So können nicht nur genaue Treffer aus der Datenbank abgerufen werden, sondern auch Datenobjekte, deren Vektoren zum Abfragenvektor ähnlich sind. Gibt man als Abfrage beispielsweise „Essen“ ein, könnten die Einträge für „Pasta“ und „Sushi“ zurückkommen. Gibt man dahingegen „japanisches Essen“ ein, wäre der Abfragevektor viel ähnlicher zum „Sushi“-Vektor als zum „Pasta“-Vektor.

Was sind die Vorteile von Vektordatenbanken?

Vektordatenbanken wie ChromaDB bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber traditionellen relationalen Datenbanken, die für KI-Anwendungen besonders wertvoll sind. Im Folgenden gehen wir auf einige davon etwas genauer ein.

Effiziente Ähnlichkeitssuche

Die Darstellung eines Datenobjekts als Punkt in einem hochdimensionalen Raum ermöglicht die Anwendung von Algorithmen, die auf Vektoren spezialisiert sind. Dadurch können naheliegende Vektoren (bzw. themenrelevante Inhalte) schnell und effizient gefunden werden. Dies ist essenziell für Anwendungen wie Bilderkennung, bei der ähnliche Bilder identifiziert werden müssen, oder für Empfehlungssysteme, die ähnliche Produkte oder Inhalte vorschlagen.

Performanz und Skalierbarkeit

Oft nutzen Vektordatenbanksysteme eine ganze Reihe an Techniken, um die Abfragegeschwindigkeit und Datenverarbeitung effizient zu beschleunigen. Außer für die effiziente Verarbeitung hochdimensionaler Vektordaten sind Vektordatenbanken auch oft so konzipiert, dass viele Operationen parallel ausgeführt werden können. Die Repräsentation komplexer Daten als Vektoren erlaubt außerdem den effizienten Umgang mit sehr komplexen Datenstrukturen. Insgesamt tragen diese Techniken dazu bei, dass Vektordatenbanken große Datenmengen enthalten und verarbeiten können, ohne dass dadurch ein erheblicher Leistungsverlust entsteht.

Integration von maschinellen Lernmodellen

Da neuronale Netzwerke oft Vektoren als Eingabe und Ausgabe verwenden, lassen sich viele KI-Modelle nahtlos in Vektordatenbanken integrieren. Dies ermöglicht eine direkte Speicherung, Verwaltung und Abfrage von Modelloutput und -input, was den Entwicklungs- und Bereitstellungsprozess von KI-Anwendungen vereinfacht und beschleunigt.

Wo werden Vektordatenbanken eingesetzt?

Ein Anwendungsfall von Vektordatenbanken, der heute sehr relevant ist, ist das maschinelle Lernen und die Generative AI (dt. generative KI). Im maschinellen Lernen werden Vektordatenbanken verwendet, um Ähnlichkeitssuchen durchzuführen, was für Aufgaben wie die Klassifizierung, das Clustering und die Empfehlungssysteme erforderlich ist. Modelle können so trainiert werden, dass sie ähnliche Datenpunkte schnell identifizieren und darauf basierend Vorhersagen oder Entscheidungen treffen. Beispielsweise kann ein Empfehlungsalgorithmus auf einer Vektordatenbank basieren, um Nutzenden Produkte oder Inhalte vorzuschlagen, die ihren bisherigen Präferenzen ähneln.

Außerdem können Vektordatenbanken eingesetzt werden, um das Trainieren neuer Neural Networks (dt. neuronale Netzwerke) zu beschleunigen. Vektordatenbanken ermöglichen es, sehr große Trainingsdatensätze effizient zu verwalten und zu durchsuchen, was sowohl die Genauigkeit als auch die Trainingszeit des Modells erheblich verbessert.

Eine spezifische Anwendung, die von dieser Optimierung profitiert, sind generative KI-Modelle wie GPT von OpenAI. Diese nutzen Vektordatenbanken, um komplexe Muster in Daten zu erkennen und neue Inhalte zu erstellen. Der durch Vektordatenbanken gewonnene Effizienzgewinn ist für die Leistungsfähigkeit dieser Systeme entscheidend.