Векторный поиск внутри PostgreSQL: что умеет и где может пригодиться pgvector

Итак, ваш проект вырос и вам потребовалась новая функциональность, будь то рекомендательный движок, база знаний или автоматизированная первая линия техподдержки. Для всего этого можно использовать векторный и/или семантический поиск, а также интегрировать в проект LLM. Поздравляю — теперь вам нужно еще и хранить embedding-векторы, а также искать по ним ближайшие объекты. Решений два: внешняя векторная БД или интеграция всего этого богатства в существующий стек. Второй путь проще на старте, немного быстрее и обычно дешевле — разумеется, если вы уже используете PostgreSQL.

Зачем вообще нужен векторный поиск

Когда вы работаете с embedding’ами от LLM, вы неизбежно сталкиваетесь со следующей задачей. Приходит запрос клиента и нужно быстро находить похожие объекты по вектору.

Вот типовые примеры таких задач.

• Семантический поиск. В отличие от классического поиска по ключевым словам, семантический поиск позволяет находить документы по смыслу. Например, если пользователь ищет, как сделать бэкап БД, система найдет статьи, в которых не обязательно есть эти слова, но описаны релевантные процессы.
• RAG-пайплайны (Retrieval-Augmented Generation). Эта архитектура объединяет LLM и внешнюю базу знаний. Когда пользователь задает вопрос, система сначала находит релевантные документы по векторной близости, а затем передает их LLM для генерации ответа. Так работают продвинутые чат-боты, корпоративные ассистенты и интерфейсы к документации.
• Рекомендательные системы. Вместо жестких правил («похожие жанры», «покупали вместе») можно анализировать embedding-профили ваших пользователей и объектов. А после рекомендовать песни, статьи, фильмы, товары, даже если они текстово совершенно разные, однако имеют схожую векторную репрезентацию.
• Классификаторы. В embedding-пространстве можно обучать модели, которые определяют категорию, тональность или тематику документа. Один из подходов задать центроиды для каждого класса (например, «позитив», «негатив», «нейтрально»), а затем относить новый документ к ближайшему по векторному расстоянию. Также применяются k-NN-модели, которые ищут несколько ближайших примеров с известной меткой и определяют класс по большинству. Например, можно классифицировать отзывы пользователей по тону, статьи по теме, а письма по отделу, которому они адресованы.

Индустрия предлагает широкий спектр специализированных инфраструктурных решений для таких задач: Faiss, Milvus, Pinecone, Qdrant, Weaviate, Vespa. Но так как я люблю PostgreSQL, то не могу не рассказать о возможной альтернативе на ее базе. Это дает возможность пощупать новое без зоопарка технологий и разрозненных API — прямо в PostgreSQL.

Что такое pgvector

Итак, pgvector — это расширение к PostgreSQL, которое добавляет тип данных vector и операторы поиска по расстоянию. Поддерживаются три основные метрики сравнения векторов.

• L2 (евклидово расстояние). Классическое расстояние между двумя точками в многомерном пространстве. Хорошо работает, если векторы не нормализованы и распределение значений относительно равномерное.
• Cosine similarity (косинусное сходство). В отличие от предыдущей метрики измеряет не абсолютное расстояние, а угол между двумя векторами. Подходит для текстовых embedding’ов, где важна направленность, а не масштаб. Требует нормализации векторов (единичная длина).
• Inner product (внутреннее произведение). Скалярное произведение двух векторов. Может использоваться как прокси для оценки «сходства» при обучении моделей и в задачах ранжирования.

Выбор метрики влияет на операторный класс индекса и характер сортировки поблизости. Важно понимать, какая из них подходит под вашу задачу. Например, cosine similarity чаще используется в задачах семантического поиска, а inner product может быть полезен в рекомендательных системах.

Развернем pgvector в облачной базе данных

В облачном PostgreSQL от Selectel pgvector можно установить в пару кликов через панель управления. С полным списком поддерживаемых расширений можно ознакомиться в документации.
1. Разверните кластер в панели управления. Как это сделать, подробно описано в документации.

2. Создайте пользователя.

3. Создайте базу данных.

4. Добавьте расширение vector.

5. Подключитесь и используйте готовую облачную базу данных.

Рассмотрим расширение детальнее

Когда вы передаете текст в модель вроде text-embedding-3-small от OpenAI, она возвращает вектор с размерностью 1 536. Где каждый из 1 536 элементов — это числовое представление одного аспекта смысла или структуры текста. Такие векторы называются embedding’ами:

[0.134, -0.823, 0.521, …, 0.004]

В pgvector это отражается в типе данных — embedding VECTOR(1536). И тогда PostgreSQL будет следить, чтобы каждый вектор точно содержал эти 1 536 значений. Для упрощения повествования дальше будем использовать только три значения.

Допустим, мы получаем на наш запрос именно такой вектор от модели OpenAI. Для хранения создаем таблицу с типом VECTOR:

    CREATE TABLE items (
  id SERIAL PRIMARY KEY,
  title TEXT,
  embedding VECTOR(1536)
);

Добавим данные для нескольких embedding-векторов разных объектов:

    INSERT INTO items (title, embedding) VALUES
  ('PostgreSQL embeddings', '[0.10, -0.80, 0.45]'),
  ('Neural image processing', '[0.42, 0.18, -0.35]'),
  ('Sound pattern matching', '[-0.20, 0.70, 0.60]'),
  ('Document clustering', '[0.09, -0.79, 0.48]');

Теперь сравним их попарно и отсортируем по расстоянию:

    SELECT 
  a.title AS title_a,
  b.title AS title_b,
  a.embedding <-> b.embedding AS distance
FROM items a
JOIN items b ON a.id < b.id
ORDER BY distance;

Здесь оператор <-> вычисляет расстояние между двумя векторами.

Из вывода видно, что:

• «PostgreSQL embeddings» ближе всего к «Document clustering» — у них почти одинаковые векторы;
• «Sound pattern matching» и «Neural image processing» — ближе друг к другу, чем к текстовым статьям.

Таким образом, мы можем оценивать степень семантической близости любых объектов, представленных векторами. Какая именно метрика используется, зависит от операторного класса, заданного при создании индекса.

Как я уже говорил, в pgvector доступны три варианта. Рассмотрим каждый из них подробнее.

Евклидово расстояние: vector_l2_ops

Стандартная метрика, измеряющая «прямое» расстояние между точками в пространстве. Хорошо подходит, если векторы не нормализованы.

    CREATE INDEX ON items USING ivfflat (embedding vector_l2_ops);

SELECT id, embedding, embedding <-> '[0.1, -0.8, 0.5]' AS distance
FROM items
ORDER BY embedding <-> '[0.1, -0.8, 0.5]'
LIMIT 3;

Разберем подробнее, что тут происходит.

• Создаем индекс. Тип индекса — ivfflat: это приближенный метод поиска ближайших соседей (Approximate Nearest Neighbor), реализующий IVF (inverted file index).
• Указываем, что используется операторный класс vector_l2_ops — это значит, что сравнение векторов будет происходить по евклидову расстоянию (L2-норма). Индекс ускоряет поиск ближайших векторов по расстоянию.
• Выбираем id, сам вектор embedding и вычисляем расстояние между этим вектором и заданным вектором-запросом ‘[0.1, -0.8, 0.5]’.
• Оператор <-> — это универсальный оператор «расстояния» в pgvector. В зависимости от выбранного индексного операторного класса (vector_l2_ops), он означает евклидово расстояние.
• Сортируем по возрастанию расстояния и выводим три самых похожих вектора. Т. е. в первую очередь возвращаются векторы, находящиеся ближе всего к заданному.

Вывод может быть каким то таким:

Здесь distance — это скалярное значение, показывающее, насколько далеко embedding из таблицы находится от заданного нами вектора [0.1, -0.8, 0.5] в евклидовом пространстве. Чем меньше значение, тем ближе векторы.

Косинусная мера: vector_cosine_ops

Этот операторный класс измеряет угол между векторами. Тут получается, что важно не расстояние, а направление. Подходит для embedding’ов текста, но требует нормализации векторов (длина = 1).

    CREATE INDEX ON items USING ivfflat (embedding vector_cosine_ops);

-- Все векторы должны быть нормализованы заранее
SELECT id, embedding, embedding <-> '[0.1, -0.8, 0.5]' AS similarity
FROM items
ORDER BY embedding <-> '[0.1, -0.8, 0.5]'
LIMIT 3;

Разберем подробнее работу этого запроса. 

• Создаем индекс для ускорения поиска по embedding-вектору в колонке embedding.
• Операторный класс vector_cosine_ops — это способ измерения косинусного расстояния, которое показывает угол между векторами.
• Сравниваем каждый вектор из таблицы items с вектором-запросом [0.1, -0.8, 0.5].
• Оператор <-> вызывает расчет расстояния согласно выбранной метрике.
• Псевдоним AS similarity помогает нам отобразить значение косинусной «дистанции» между векторами.
• Сортируем строки от наименьшего косинусного расстояния к наибольшему. Выводим три наиболее похожие.

Результат может быть каким то таким:

Первая строка показывает точное совпадение, поэтому расстояние = 0. Остальные с минимальными отличиями, но направление у них довольно близкое к запросу.

Чтобы лучше понимать, что значит «близкое», разберем рассчет расстояния в этой метрике. Оно измеряется как косинус угла между векторами и показывает, насколько их направления совпадают:

• cos 0° (одинаковое направление) = 1,
• cos 90° (ортогональные, несвязанные вектора) = 0,
• cos 180° (противоположные направления) = -1.

При этом значение, которое возвращает оператор <-> с vector_cosine_ops, не является напрямую косинусом угла между векторами, а вычисляется как 1 — cos (угла между векторами).
Таким образом, максимальное отличие по косинусной метрике — это расстояние, равное 2. Оно достигается у векторов с противоположным направлением и является крайним случаем — антисмыслом, с противоположной запросу семантикой.

Скалярное произведение: vector_ip_ops

Скалярное произведение измеряет степень сонаправленности векторов. Такой тип оператора подходит в задачах рекомендаций, где важна схожесть предпочтений. Чем больше значение, тем выше степень совпадения интересов.

    CREATE INDEX ON items USING ivfflat (embedding vector_ip_ops);

SELECT id, embedding, embedding <-> '[0.1, -0.8, 0.5]' AS inner_product
FROM items
ORDER BY embedding <-> '[0.1, -0.8, 0.5]'
LIMIT 3;

Уже по сложившейся традиции рассмотрим подробнее, что происходит в этом запросе.

• Снова создаем индекс по колонке embedding с использованием метода ivfflat и операторного класса vector_ip_ops, определяющего метрику сравнения (в данном случае это скалярное произведение).
• Извлекаем id и сам вектор embedding, вычисляем расстояние между ним и входным вектором [0.1, -0.8, 0.5].
• Результаты сортируются по мере убывания схожести, возвращаются только три наиболее похожих по направлению вектора.

Пример вывода:

Это может быть полезно, например, для рекомендательных систем. Если embedding пользователя и товара «смотрят» в одну сторону, то, возможно, этот товар релевантен интересам пользователя.

Чтобы избежать полного перебора, мы выше использовали индексы. После загрузки данных не забываем обновить статистику:

    ANALYZE items;

Теперь можно делать запросы быстрее.

Что под капотом

Векторы хранятся как массивы float4 и сравниваются через SIMD-инструкции. Индексы реализованы аналогично IVF в Faiss. На данный момент в pgvector нет поддержек:

• HNSW (более точная и быстрая структура),
• Multi-vector запросов (например, объединение нескольких embedding’ов),
• хранения версий или тегов.

ivfflat — это Approximate Nearest Neighbor (ANN). Он не гарантирует, что ближайший найденный объект действительно окажется ближайшим по метрике. Это компромисс между скоростью и точностью.

Кроме того, есть еще пара подводных камней, которые стоит учитывать при работе с этим инструментом.

• Вывод команд недетерминирован — два запуска могут дать разные результаты.
• Индекс поддерживает только одну метрику.
• Нельзя обновить вектор в индексе — допустимы только удаление и повторная вставка.

Это может повлиять на статистику и эффективность планировщика запросов PostgreSQL. Когда вы обновляете вектор, удаляя старую строку и вставляя новую, это оставляет в таблице «мертвые» строки. PostgreSQL не удаляет их сразу — они остаются до тех пор, пока не сработает autovacuum или не выполнится вакуум инженером в ручную. 
Если таких операций становится много, таблица раздуется, производительность упадет, а планировщик будет выбирать неэффективные планы из-за устаревшей статистики. Особенно это критично для больших таблиц с индексами и при профиле нагрузки, который подразумевает постоянное обновление большого количества данных. Подробнее об этом механизме я рассказывал в прошлой статье.

Вывод

pgvector — простой способ добавить векторный поиск туда, где уже есть PostgreSQL, и понять необходимость новой функциональности в вашем проекте. Он не заменит более серьезные инструменты и, скорее всего, не справится с enterprise-нагрузкой при работе с миллиардами объектов, но идеально подойдет для:

• MVP или стартапов,
• простых интеграций,
• нетребовательных внутренних AI-систем,
• pet-проектов.

Напоследок поделюсь интересным сравнением различных инструментов хранения векторных данных. Надеюсь, оно поможет вам правильно выбрать наиболее подходящий для вас.

А мы недавно выпустили ультимативный по производительности сервис — первый в России DBaaS на выделенных серверах. Подробнее об этой услуге я уже рассказывал в одной из предыдущих статей.

В обозримом будущем я продолжу эту тему и расскажу о других полезных расширениях для PostgreSQL.