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论文赏析:极致性价比,非易失性内存在向量检索的应用

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动机

 

由于 DRAM 容量有限,ANN 搜索算法在查询精度和查询延迟之间进行了基本的权衡。为了在 DRAM 中存储索引以实现快速查询,有必要限制数据点的数量或存储压缩的向量,这两者都会损害搜索的准确性。基于图形的索引(如 HNSW)具有优越的查询运行时间性能和查询精度。然而,当在十亿规模的数据集上操作时,这些索引也会消耗 TiB 等级的 DRAM。

 

还有其他的变通方法来避免让 DRAM 以原始格式存储十亿规模的数据集。当一个数据集太大,无法装入单台机器的 DRAM 时,就会使用数据压缩的方法,如对数据集的点进行乘积量化。但是,由于量化过程中精度的损失,这些索引在压缩数据集上的召回率通常很低。Subramanya 等人[1]探索了利用固态硬盘 SSD 实现十亿级 ANN 搜索的方法,该方法称为 Disk-ANN ,其中原始数据集存储在 SSD 上,压缩后的表示方法存储在 DRAM 上。

 

Heterogeneous Memory 的介绍

 

 

内存/存储的层次结构与HM

 

图片来源: http://nvmw.ucsd.edu/nvmw2021-program/nvmw2021-data/nvmw2021-paper63-presentation_slides.pdf

 

Heterogeneous memory (HM) 代表了快速但小的 DRAM 和慢速但大的 PMem 的组合。DRAM 是每个现代服务器中都能找到的硬件,其访问速度相对较快。新的 PMem 技术,如英特尔® Optane™DC Persistent Memory Modules,弥补了基于 NAND-based flash(SSD)和 DRAM 之间的差距,消除了 I/O 瓶颈。

 

PMem 像 SSD 一样可以在断电情况下持久化数据,又像 DRAM 一样可由 CPU 直接对每一个 Byte 寻址。Renen 等人 [2] 发现,在配置的实验环境中,PMem 的读取带宽比 DRAM 低 2.6 倍,而写入带宽低 7.5 倍。

 

HM-ANN 的设计

 

HM-ANN 是一种准确而快速的十亿级 ANN 搜索算法,在单机上运行时无需压缩。HM-ANN 的设计概括了 HNSW 的思想,其分层结构自然适合 HM。HNSW 由多层组成: 只有第 0 层包含整个数据集,其余每一层都包含其正下方那一层的一个子集。

 

 

一个 3 层 HNSW 的例子

 

图片来源: https://arxiv.org/pdf/1603.09320.pdf

 

上层的元素,只包括数据集的子集,消耗了整个存储消耗的一小部分。这一现象使它们非常合适去被放置在 DRAM 中。这样一来,HM-ANN 上的大部分搜索都会发生在上层,这就最大限度地利用了 DRAM 的快速访问特性。然而,在 HNSW 中大多数搜索发生在底层。

 

最底层承载着整个数据集,这使得它适合被放在 PMem 中。由于访问第 0 层的速度较慢,最好是每个查询只访问一小部分,并降低访问频率。

 

图构建算法

 

 

HM-ANN的索引构造例子图片来源: http://nvmw.ucsd.edu/nvmw2021-program/nvmw2021-data/nvmw2021-paper63-poster.pdf

 

HM-ANN 构造的关键思想是构建高质量的上层,以便为第 0 层的搜索提供更好的导航指导能力。因此,大多数内存访问发生在 DRAM 中,所以 PMem 中的访问则被减少。为了实现这一点,HM-ANN 的构建算法有一个自上而下的 selection 阶段和一个自下而上的 promotion 阶段。

 

自上而下的插入阶段建立了一个 navigable small-world graph,因为最底层是放在 PMem 上的。

 

自下而上的促进阶段从底层 promote pivot 点,以形成放置在 DRAM 上的上层,而不会失去很多准确性。如果在第 1 层创建了第 0 层元素的高质量投影,那幺第 0 层的搜索只需几跳就能找到查询的准确近邻。

 

HM-ANN 没有使用 HNSW 的 random selection for promotion,而是使用高度推广策略 high-degree promotion strategy,将第 0 层中度数最高的元素推广到第1层。对于更高的层,HM-ANN 根据 promotion rate 将高度数节点推广到上层。

 

HM-ANN 将更多的节点从第 0 层 promote 到第 1 层,并为第 1 层的每个元素设置更大的最大邻居数。上层节点的数量是由可用的 DRAM 空间决定的。由于第 0 层不存储在 DRAM 中,因此使存储在 DRAM 中的每一层更密集,可以提高搜索质量。

 

图搜索算法

 

 

HM-ANN的索引搜索例子

 

图片来源: http://nvmw.ucsd.edu/nvmw2021-program/nvmw2021-data/nvmw2021-paper63-poster.pdf

 

该搜索算法由两个阶段组成: fast memory search 与 parallel layer-0 search with prefetching.

 

Fast memory search

 

与 HNSW 相同,DRAM 中的搜索从最顶层的入口点开始,然后从顶层到第 2 层执行 1-greedy search。为了缩小第 0 层的搜索空间,HM-ANN 在第 1 层进行搜索,搜索预算为 efSearchL1 ,这限制了第 1 层的 candidate list 的大小。HNSW 只使用一个 entry point ,但在 HM-ANN 中,第 0 层和第 1 层之间的关系比任何其他两层之间处理得更加特别。

 

Parallel layer-0 search with prefetching

 

在底层,HM-ANN 将上述来自搜索第 1 层的 candidates 均匀分开,并将其视为 entry points,以执行 parallel multi-start 1-greedy search with threads。每次搜索出来的 top candidates 被收集起来,以找到 best candidates。众所周知,从第 1 层下到第 0 层正好是进入 PMem。并行搜索隐藏了 PMem 的延迟,并充分利用内存带宽,在不增加搜索时间的情况下提高搜索质量。

 

HM-ANN 在 DRAM 中实现了一个 software-managed buffer,在 DRAM 访问发生之前从 PMem 中 prefetch 数据。当搜索第 1 层时,HM-ANN 异步地将 efSearchL1 中的那些 candidates 的邻居元素及其在第 1 层的连接从 PMem 复制到 buffer。当第 0 层的搜索发生时,一部分数据已经在 DRAM 中被 prefetched 了,这就隐藏了访问 PMem 的延迟,导致了更短的查询时间。这与 HM-ANN 的设计目标相吻合,即大部分内存访问发生在 DRAM 中,而 PMem 中的内存访问被减少。

 

性能测试

 

在 HM-ANN 这个论文中,对这个新索引算法进行了广泛的评估。所有的实验都是在一台装有 Intel Xeon Gold 6252 [email protected] 的机器上进行的。它使用DDR4(96GB)作为快速内存,Optane DC PMM(1.5TB)作为慢速内存。对五个数据集进行了评估。BIGANN、DEEP1B、SIFT1M、DEEP1M 和 GIST1M。对于十亿规模的测试,包括以下方案:基于十亿规模量化的方法(IMI+OPQ 和 L&C),以及非压缩的方法(HNSW 和 NSG)。

 

十亿规模的算法比较

 

 

在 Table 1 中,比较了不同的基于图的索引的索引时间和内存消耗。HNSW 在建立索引时速度最快,HM-ANN 比 HNSW 多需要 8% 的时间。在总体存储使用方面,HM-ANN 索引比 HSNW 大 5-13%,因为它将更多的节点从第 0 层推广到第 1 层。

 

 

在 Figure 1 中,对不同索引的查询性能进行了分析。图1(a)和(b)显示,HM-ANN 在 1 毫秒内取得了 >95% 的 top-1 召回率。图1(c)和(d)显示, HM-ANN 在 4 毫秒内获得了 >90% 的 top-100 召回率。与其他所有方法相比,HM-ANN 提供了更好的 latency-recall 性能。

 

百万规模的算法比较

 

 

在 Figure 2 中,不同索引的查询性能在纯 DRAM 环境下进行了分析。HNSW、NSG 和 HM-ANN 是用一个适合 DRAM 容量的 300 万规模的数据集进行评估的。HM-ANN 仍然取得了比 HNSW 更好的查询性能。原因是,当它们都旨在实现 99% 的召回率目标时,HM-ANN 的距离计算总数(平均 850 次/查询)要少于 HNSW(平均 900 次/查询)。

 

High-degree promotion的效果

 

在 Figure 3 中,random promotion 和 high-degree promotion strategies 在同一配置下进行了比较。high-degree promotion strategies 的效果优于 baseline。在达到 95%、99% 和 99.5%的召回率目标时,high-degree promotion strategies 的表现比 random promotion 快 1.8 倍、4.3 倍和 3.9 倍。

 

 

内存管理技术的性能

 

Figure 5 包含了 HNSW 和 HM-ANN 之间的一系列步骤,以显示 HM-ANN 的每项优化对其改进的贡献。BP 代表索引构建中自下而上的 promotion,PL0 代表 Parallel layer-0 search,DP 代表从 PMem 到 DRAM 的数据 prefetching。每走一步,HM-ANN 的搜索性能都会被进一步推高。

 

结论

 

一种新的基于图的索引和搜索算法,称为 HM-ANN,将基于图的 ANN 搜索算法的分层设计与 HM 中的快慢内存异质性进行了映射。评估表明,HM-ANN 是一种新的最先进的适用于十亿数据集的索引。

 

在学术界和工业界中,在 PMem 上建立索引正变得越来越流行。为了减轻 DRAM 的压力,Disk-ANN [1] 是一个建立在 SSD 上的索引,但是 SSD 吞吐量明显低于 PMem。然而,建立 HM-ANN 仍然需要几天时间,这与 Disk-ANN 的构建时间没有数量级的区别。我们相信,通过更仔细地利用 PMem 的特性(例如,意识到 PMem 的粒度为 256字节),以及使用指令 bypass cache lines,是可以优化 HM-ANN 的索引时间。我们还预计,将来会提出更多的持久存储设备的方法。

 

参考资料

 

[1]: Suhas Jayaram Subramanya and Devvrit and Rohan Kadekodi and Ravishankar Krishaswamy and Ravishankar Krishaswamy: DiskANN: Fast Accurate Billion-point Nearest Neighbor Search on a Single Node, NIPS, 2019

 

https://www.microsoft.com/en-us/research/publication/diskann-fast-accurate-billion-point-nearest-neighbor-search-on-a-single-node/

 

https://papers.nips.cc/paper/2019/hash/09853c7fb1d3f8ee67a61b6bf4a7f8e6-Abstract.html

 

[2]: Alexander van Renen and Lukas Vogel and Viktor Leis and Thomas Neumann and Alfons Kemper: Persistent Memory I/O Primitives, CoRR & DaMoN, 2019

 

https://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/3329785.3329930

 

https://arxiv.org/abs/1904.01614

 

作者: 罗济高,Zilliz 实习研究员,本科毕业于慕尼黑工业大学,目前是该校数据工程与分析专业研究生在读。兴趣领域包含关系数据库与性能分析,喜欢研究关系数据库内核,对数据库各个子领域的进展拥有高度好奇心。 他的 Github 账号是 https://github.com/cakebytheoceanLuo,博客地址是  https://cakebytheoceanluo.github.io/

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