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Cos'è un database vettoriale e come funziona? Casi d'uso + esempi


Ci troviamo in piena rivoluzione dell'IA. Sta sconvolgendo ogni settore che tocca, promettendo grandi innovazioni, ma introduce anche nuove sfide. Il processo efficiente dei dati è diventato più cruciale che mai per le applicazioni che coinvolgono grandi modelli linguistici, intelligenza artificiale generativa e ricerca semantica.


Tutte queste nuove applicazioni si basano su incorporamenti vettoriali, un tipo di rappresentazione dati vettoriale che porta con sé informazioni semantiche cruciali per consentire all'IA di comprendere e mantenere una memoria a lungo termine su cui attingere durante l'esecuzione di compiti complessi.



Cos'è un database vettoriale e come funziona? Casi d'uso + esempi
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Cos'è un Database Vettoriale?

Un database vettoriale è un tipo di database che indicizza e memorizza embeddings vettoriali per un recupero rapido e una ricerca di similarità, con funzionalità come operazioni CRUD, filtraggio dei metadati e scalabilità orizzontale.


Gli embeddings sono generati da modelli di IA (come Large Language Models) e hanno molte attributi o caratteristiche, rendendo la loro rappresentazione una sfida da gestire. Nel contesto dell'IA e dell'apprendimento automatico, queste caratteristiche rappresentano diverse dimensioni dei dati essenziali per comprendere modelli, relazioni e strutture sottostanti.


Cos'è un database vettoriale e come funziona? Casi d'uso + esempi
Cos'è un database vettoriale e come funziona? Casi d'uso + esempi

Ecco perché abbiamo bisogno di un database specializzato progettato appositamente per gestire questo tipo di dati. I database vettoriali hanno le capacità di un database tradizionale assenti nei singoli indici vettoriali e la specializzazione nel trattare gli incorporamenti vettoriali, che manca nei database tradizionali basati su scalar.


La sfida nel lavorare con dati vettoriali è che i database tradizionali basati su scalar non riescono a tenere il passo con la complessità e la scala di tali dati, rendendo difficile estrarre informazioni e eseguire analisi in tempo reale. Ecco dove entrano in gioco i database vettoriali: sono intenzionalmente progettati per gestire questo tipo di dati e offrono le prestazioni, la scalabilità e la flessibilità necessarie per sfruttare al massimo i dati.


Con un database vettoriale, possiamo aggiungere funzionalità avanzate alle nostre IA, come il recupero di informazioni semantiche, la memoria a lungo termine e altro ancora. Il diagramma qui sotto ci offre una migliore comprensione del ruolo dei database vettoriali in questo tipo di applicazione:


Cos'è un database vettoriale e come funziona? Casi d'uso + esempi
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Database Vettoriale Suddividiamolo:

  1. Iniziamo utilizzando il modello di incorporamento per creare incorporamenti vettoriali per i contenuti che vogliamo indicizzare.

  2. L'incorporamento vettoriale viene inserito nel database vettoriale, con qualche riferimento al contenuto originale da cui è stato creato.

  3. Quando l'applicazione emette una query, utilizziamo lo stesso modello di incorporamento per creare incorporamenti per la query e utilizziamo quegli incorporamenti per interrogare il database per incorporamenti vettoriali simili. Come già accennato, questi incorporamenti simili sono associati al contenuto originale che è stato utilizzato per crearli.


Come Funziona un Database Vettoriale?

Sappiamo tutti più o meno come funzionano i database tradizionali: memorizzano stringhe, numeri e altri tipi di dati scalari in righe e colonne. D'altra parte, un database vettoriale opera su vettori, quindi il modo in cui è ottimizzato e interrogato è piuttosto diverso.

Nei database tradizionali, solitamente stiamo cercando righe nel database in cui il valore corrisponde esattamente alla nostra query. Nei database vettoriali, applichiamo una metrica di similarità per trovare un vettore che sia il più simile possibile alla nostra query.

Un database vettoriale utilizza una combinazione di diversi algoritmi che partecipano tutti alla ricerca del Vicino Approssimato . Questi algoritmi ottimizzano la ricerca attraverso hash, quantizzazione o ricerca basata su grafi.


Questi algoritmi sono assemblati in un flusso di lavoro che fornisce un recupero rapido ed accurato dei vicini di un vettore interrogato. Poiché il database vettoriale fornisce risultati approssimati, i principali compromessi che consideriamo sono tra precisione e velocità. Più precisi sono i risultati, più lenta sarà la query. Tuttavia, un buon sistema può fornire una ricerca ultraveloce con una precisione quasi perfetta.



Cos'è un database vettoriale e come funziona? Casi d'uso + esempi
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Flusso di Lavoro del Database Vettoriale

  1. Indicizzazione: Il database vettoriale indica i vettori utilizzando un algoritmo come PQ, LSH o HNSW (ne parleremo meglio più avanti). Questo passaggio mappa i vettori in una struttura dati che consentirà una ricerca più veloce.

  2. Interrogazione: Il database vettoriale confronta il vettore di query indicizzato con i vettori indicizzati nel dataset per trovare i vicini più prossimi (applicando una metrica di similarità usata da quell'indice).

  3. Post-Elaborazione: In alcuni casi, il database vettoriale recupera i vicini più prossimi finali dal dataset e li elabora ulteriormente per restituire i risultati finali. Questo passaggio può includere il riordinamento dei vicini più prossimi utilizzando una misura di similarità diversa.

Nelle sezioni successive, esploreremo più dettagliatamente ciascun algoritmo e spiegheremo come contribuiscono alle prestazioni complessive di un database vettoriale.


Differenza tra un Database Vettoriale e un Database Tradizionaleì

Immergiamoci nella dimensione intrigante delle differenze tra un database vettoriale e un tradizionale archivio di dati. Mentre i database convenzionali si muovono agilmente tra righe e colonne, i database vettoriali aprono uno spazio totalmente nuovo, operando su vettori che si snodano attraverso concetti di similarità.


Nelle architetture tradizionali, cerchiamo solitamente righe con valori che corrispondono esattamente alla nostra query. In un mondo vettoriale, invece, applichiamo una metrica di similarità per individuare un vettore che si sposi al meglio con la nostra interrogazione. Questa danza tra precisione e velocità, tra indici vettoriali autonomi e database specializzati, si svela come un'arte nell'arte dell'informazione. Affrontiamo insieme questa intricata tela di conoscenza, dove la ricerca di vicini approssimati e il bilanciamento tra accuratezza e tempestività dipingono il paesaggio delle nuove frontiere dati.



Cos'è un database vettoriale e come funziona? Casi d'uso + esempi
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Applicazioni Affascinanti dei Database Vettoriali

Oltre a svelare il mistero della differenza tra i database, esploriamo le affascinanti applicazioni dei database vettoriali che stanno trasformando il panorama dell'informazione. Da una gestione di dati più efficiente a una navigazione più intuitiva attraverso dimensioni complesse, i database vettoriali portano una ventata di freschezza nell'ecosistema dell'intelligenza artificiale.


La capacità di memorizzare metadati associati a ogni vettore, la scalabilità in risposta alle crescenti esigenze degli utenti e gli aggiornamenti in tempo reale dipingono uno scenario in cui la praticità si unisce alla potenza. Esploriamo insieme le vie inesplorate delle applicazioni dei database vettoriali, dove ogni vettore si trasforma in un tassello di un mosaico più grande di innovazione.




Tendenze Future nei Database Vettoriali

Guardiamo al futuro, dove i database vettoriali si ergono come protagonisti nelle avventure dell'informazione. In questo paesaggio in evoluzione, dove l'IA e la gestione dati convergono, emergono tendenze che plasmeranno il domani.


Scalabilità avanzata, integrazione senza soluzione di continuità con ecosistemi di elaborazione dati e sicurezza incorporata si svelano come sentieri da percorrere. Esploriamo le direzioni future dei database vettoriali, guidati dalla curiosità di scoprire come questi strumenti evolveranno per soddisfare le esigenze di un mondo sempre più connesso e assetato di conoscenza.


Cos'è un database vettoriale e come funziona? Casi d'uso + esempi
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Vantaggi dei Database Vettoriali

I database vettoriali rivestono un ruolo cruciale nella rivoluzione digitale di Machine Learning (ML) e Intelligenza Artificiale (AI). Essi fungono da custodi di incastonamenti vettoriali, dando vita a un insieme di capacità fondamentali, tra cui l'indicizzazione, le metriche di distanza e la ricerca di similarità. In termini più semplici, i database vettoriali sono specializzati nella gestione di dati non strutturati e semi-strutturati. Questo li rende uno strumento vitale all'interno del panorama digitale, fornendo le basi su cui poggiano le fondamenta dell'apprendimento automatico e dell'IA.



Componenti Fondamentali dei Database Vettoriali

Un database vettoriale, per raggiungere l'eccellenza operativa, può vantare molteplici componenti fondamentali:


Prestazioni e Tolleranza ai Guasti: L'abilità di suddividere i dati attraverso sharding e la replicazione efficace si traducono in prestazioni ottimali e una notevole tolleranza ai guasti. Sharding coinvolge la suddivisione dei dati su nodi multipli, mentre la replicazione implica la creazione di copie multiple dei dati su nodi differenti. In caso di fallimento di un nodo, questo assicura una tolleranza ai guasti e una continuità delle prestazioni.


Capacità di Monitoraggio: Per garantire prestazioni e tolleranza ai guasti, un database vettoriale richiede il monitoraggio dell'utilizzo delle risorse, delle prestazioni delle query e della salute generale del sistema.


Capacità di Controllo degli Accessi: La gestione della sicurezza dei dati è essenziale per i database vettoriali. La regolamentazione del controllo degli accessi garantisce conformità, responsabilità e la possibilità di auditare l'uso del database. Ciò significa anche che i dati sono protetti: sono accessibili solo a coloro che ne hanno i permessi, e viene mantenuto un registro delle attività degli utenti.


Scalabilità e Regolazione: Le buone capacità di controllo degli accessi impattano sulla scalabilità e la regolazione di un database vettoriale. All'aumentare della quantità di dati memorizzati, la capacità di scalare in modo orizzontale diventa obbligatoria. Diverse velocità di inserimento e di query, così come le differenze nell'hardware sottostante, influenzano le esigenze dell'applicazione.


Utenti Multipli e Isolamento dei Dati: Di pari passo con la scalabilità e le capacità di controllo degli accessi, un database vettoriale dovrebbe ospitare utenti multipli o multi-tenancy. Inoltre, i database vettoriali dovrebbero consentire l'isolamento dei dati in modo che l'attività di un utente (come inserimenti, cancellazioni o interrogazioni) rimanga privata agli altri utenti, a meno che diversamente richiesto.


Backup: I database vettoriali effettuano regolari backup dei dati. Questo è un componente chiave di un database vettoriale nel caso di un fallimento di sistema: in caso di perdita o corruzione dei dati, i backup possono contribuire a ripristinare il database a uno stato precedente, minimizzando il downtime


API e SDK: Un database vettoriale utilizza API per fornire un'interfaccia amichevole all'utente. Un'API è un'interfaccia di programmazione delle applicazioni, ovvero un tipo di software che consente alle applicazioni di "dialogare" tra loro mediante richieste e risposte. Le API semplificano l'esperienza di ricerca vettoriale. Gli SDK, o kit di sviluppo software, spesso racchiudono le API. Sono i linguaggi di programmazione che il database utilizza per comunicare e amministrare. Gli SDK contribuiscono a un utilizzo di database vettoriali orientato allo sviluppatore, poiché non devono preoccuparsi della struttura sottostante durante lo sviluppo di casi d'uso specifici (ricerca semantica, sistemi di raccomandazione, ecc.).


Cos'è un database vettoriale e come funziona? Casi d'uso + esempi
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Creare un Vector Store con Python

Creare un Vector Store con Python è un'avventura affascinante nel cuore dell'incastonamento vettoriale, dove la potenza dell'IA si fonde con la versatilità del linguaggio di programmazione Python. Per iniziare, dobbiamo definire chiaramente cosa vogliamo ottenere. Un Vector Store è essenzialmente un deposito di incastonamenti vettoriali, e la prima tappa è solitamente la scelta di una libreria adatta. TensorFlow e PyTorch sono scelte comuni, ognuna con i suoi vantaggi.


Iniziamo con l'importare la libreria scelta:


import tensorflow as tf

Successivamente, dobbiamo preparare i dati che intendiamo incastonare. Immaginiamo di avere un set di dati di test:


data = ["esempio di testo 1", "un altro esempio", "prova di vettori"]

Ora, definiamo il modello di incastonamento vettoriale. Prendiamo un esempio utilizzando Word2Vec di TensorFlow:


from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Embedding
from tensorflow.keras.preprocessing.text import Tokenizer

tokenizer = Tokenizer()
tokenizer.fit_on_texts(data)
total_words = len(tokenizer.word_index) + 1

embedding_dim = 50
model = Sequential()
model.add(Embedding(input_dim=total_words, output_dim=embedding_dim, input_length=1))

Qui abbiamo un modello semplice con un livello di incastonamento (Embedding Layer). Successivamente, addestriamo il modello:


model.compile('adam', 'mse')
model.fit(x, y, epochs=100, verbose=0)

Ovviamente, questo è un esempio basilare. Nella pratica, il processo coinvolge una maggiore complessità e spesso l'uso di modelli pre-addestrati per migliorare l'accuratezza degli incastonamenti.


Infine, possiamo ottenere gli incastonamenti vettoriali per le parole del nostro set di dati di test:


embeddings = model.get_weights()[0]
word_embeddings = {word: embeddings[idx] for word, idx in tokenizer.word_index.items()}
print(word_embeddings)

Ora hai creato con successo un Vector Store con Python, pronto per essere esplorato e utilizzato nelle tue applicazioni di intelligenza artificiale. Questo è solo l'inizio di un percorso entusiasmante nel mondo degli incastonamenti vettoriali con Python.

Conclusione

In questo viaggio attraverso l'universo dei database vettoriali, abbiamo toccato le stelle dell'innovazione digitale. Dal ruolo cruciale nella gestione di dati non strutturati all'incarnazione delle potenzialità dell'intelligenza artificiale, i database vettoriali si rivelano come pilastri su cui si erige la nuova era dell'informazione.


Siamo passati attraverso le loro componenti fondamentali, esplorando la magia di prestazioni ottimali, tolleranza ai guasti, sicurezza dei dati e tanto altro. Ora, mentre chiudiamo questo capitolo, ti invitiamo a considerare come il potere dei database vettoriali può arricchire il tuo contesto operativo. Che tu sia già immerso nell'IA o stia appena iniziando il tuo viaggio, l'implementazione efficace di queste tecnologie può essere il trampolino per nuove vette di successo.


Se desideri approfondire ulteriormente e applicare concretamente l'IA al tuo contesto specifico, non esitare a prenotare una consulenza gratuita con i nostri esperti. Forniremo uno sguardo personalizzato su come puoi sfruttare al meglio il potenziale dei database vettoriali e dell'intelligenza artificiale nella tua realtà aziendale. La consulenza è il primo passo verso una trasformazione che potrebbe definire il futuro del tuo settore.


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