Eine Vektordatenbank ist eine spezialisierte Datenbank, die darauf ausgelegt ist, Daten in Form von hochdimensionalen Vektoren zu speichern und zu verwalten. Der Begriff „Vektor“ stammt aus der Mathematik und beschreibt eine Darstellung von Merkmalen oder Eigenschaften, die in Daten enthalten sind. Im Gegensatz zu traditionellen Datenbanken, die geeignet sind, um strukturierte Daten in Zeilen und Spalten zu verarbeiten, speichern Vektordatenbanken Informationen als Vektoren mit einer festen Anzahl an Dimensionen, die nach ihrer Ähnlichkeit gruppiert werden.
Jeder Vektor in einer Vektordatenbank besteht aus einer definierten Anzahl an Dimensionen. Das können wenige Dutzend sein, aber auch mehrere Tausend. Die Anzahl der Dimensionen hängt von der Komplexität und Granularität der zugrunde liegenden Daten ab. Diese Struktur ermöglicht es Vektordatenbanken, komplexe, vielschichtige Informationen effizient zu verarbeiten und schnelle, auf Ähnlichkeit basierende Suchen und Analysen durchzuführen.
Laut der International Data Corporation (IDC) werden bis 2025 weltweit 80 % der neu erzeugten Daten unstrukturiert sein, z. B. Daten wie Texte, Bilder oder Videos. Zur Verwaltung dieser unstrukturierten Daten kommen zunehmend lernende Modelle wie tiefe neuronale Netze (Deep Neural Networks) zum Einsatz. Sie werden branchenübergreifend genutzt – von E-Commerce über Gesundheitswesen bis hin zu Industrieanwendungen Diese Anwendungen „übersetzen“ unstrukturierte Daten in sogenannte Embedding-Vektoren. Sobald die Daten „vektorisiert“ wurden, lassen sich mithilfe von ähnlichkeitsbasierten Vektorsuchen (Vector Search) Aufgaben wie Suchen, Empfehlungen generieren und Analysen durchführen. Die Verwaltung dieser Vektordaten erfolgt in Vektordatenbanken.
Ob eine Vektordatenbank sinnvoll ist, hängt davon ab, welche Technologien und Prozesse Sie sonst verwenden. Vektordatenbanken sind ein zentraler Bestandteil vieler KI-Systeme. Einige (aber nicht alle) Anwendungen mit großen Sprachmodellen (LLMs) nutzen sie für schnelle Ähnlichkeitssuchen oder zur Bereitstellung von Kontext- und Fach- und Domänenwissen. Ein typisches Beispiel ist Retrieval Augmented Generation (RAG). Bei diesem Ansatz dient die Vektordatenbank dazu, den Prompt für das Sprachmodell zu erweitern – um zusätzliche, relevante Informationen, die gemeinsam mit der eigentlichen Anfrage übermittelt werden.
Vektordatenbanken ermöglichen außerdem eine hybride Suche. Dabei wird die klassische, schlüsselwortbasierte Suche mit einer semantischen Ähnlichkeitssuche kombiniert. So finden Sie auch dann relevante Inhalte, wenn Schlagwörter nicht exakt übereinstimmen. Vektordatenbanken können auch für zahlreiche Aufgaben im Bereich Natural Language Processing (NLP) eingesetzt werden, z. B. für semantische oder Sentiment-Analysen sowie beim Training von Machine-Learning-Modellen (ML).
Ein Vektor ist ein hochdimensionales numerisches Array, das die Position eines bestimmten Punktes über mehrere Dimensionen hinweg beschreibt. Stellen Sie sich einen Wortvektorraum als dreidimensionale Wolke vor, in der jedes Wort als Punkt dargestellt ist. In diesem Raum liegen Begriffe mit ähnlicher Bedeutung näher beieinander und bilden einen Cluster. Zum Beispiel würde der Punkt für „Apfel“ näher bei „Birne“ liegen als bei „Auto“. Diese räumliche Anordnung spiegelt die semantischen Beziehungen zwischen Wörtern wider: Je geringer der Abstand zwischen zwei Punkten, desto ähnlicher sind sich ihre Bedeutungen.
Ein Vektor wird erzeugt, indem eine sogenannte Embedding-Funktion auf Rohdaten angewendet wird, um diese in eine nutzbare Repräsentation zu transformieren. Diese Darstellungen werden „Einbettungen“ genannt, weil ein ML-Modell eine repräsentative Gruppierung nimmt und sie in einen Vektorraum einbettet. Die Vektoren sind als Zahlenlisten eingebettet. das macht es für ML-Modelle einfacher, Berechnungen und Vergleiche mit den Daten durchzuführen. Tatsächlich hängt die Leistungsfähigkeit vieler Machine-Learning-Methoden entscheidend von der Qualität dieser Vektorrepräsentationen ab. Ein ganzer Textabschnitt oder auch eine Zahlenreihe lässt sich auf einen einzelnen Vektor reduzieren. Genau das ermöglicht es Modellen, auch mit komplexen Daten effizient zu arbeiten
Vektordatenbanken sind darauf ausgelegt, Daten mithilfe hochdimensionaler Vektor-Embeddings effizient zu speichern, zu indexieren und abzufragen. Sobald ein Nutzer eine Abfrage oder Anforderung in die Vektordatenbank eingibt, beginnt folgende Abfolge von Verarbeitungsschritten:
Durch diesen Ansatz ermöglichen Vektordatenbanken semantische Suchen und ähnlichkeitsbasierte Abfragen, was sie ideal für Anwendungen wie Empfehlungssysteme, Bild- und Videoerkennung, Textanalyse und Anomalieerkennung macht.
Vektordatenbanken bieten eine Reihe von Vorteilen:
Vektordatenbanken werden branchenübergreifend für eine Vielzahl von Anwendungen und Anwendungsfällen eingesetzt. Hier sind einige der gängigsten Anwendungsbeispiele:
Der zunehmende Einsatz großer Sprachmodelle (LLMs) für Aufgaben wie Informationsabruf sowie die wachsende Beliebtheit von E-Commerce- und Empfehlungssystemen haben den Bedarf an leistungsfähigen Vektordatenbanksystemen erhöht, die Abfragen in unstrukturierten Daten optimieren können.
In multimodalen Anwendungen werden Daten in Form von Embeddings in Vektordatenbanken gespeichert. Dadurch lassen sich Vektorrepräsentationen besonders effizient abrufen. Gibt ein Nutzer eine Textanfrage ein, arbeiten das Sprachmodell (LLM) und die Vektordatenbank zusammen: Das LLM übernimmt die Verarbeitung natürlicher Sprache, während die Algorithmen der Vektordatenbank eine ungefähre Ähnlichkeitssuche (Approximate Nearest Neighbor Search) durchführen. Dieser Ansatz liefert oft bessere Ergebnisse als die Nutzung einer einzelnen Komponente für sich allein.
Vektordatenbanken werden im Rahmen von RAG (Retrieval-Augmented-Gernation) zunehmend auf LLMs angewendet. Dieses Vorgehen erhöht die Nachvollziehbarkeit der Modellantworten, indem zusätzlicher Kontext in die Ausgabe des LLM eingebunden wird. Nutzer-Prompts können gezielt um Kontext ergänzt werden, um typische Herausforderungen großer Sprachmodelle wie Halluzinationen oder Verzerrungen (Bias) zu reduzieren.
Vektordatenbanken können eine Schlüsselrolle bei der Bilderkennung spielen, indem sie hochdimensionale Einbettungen von Bildern speichern, die von ML-Modellen erzeugt wurden. Da sie speziell für Ähnlichkeitssuchen optimiert sind, eignen sich Vektordatenbanken hervorragend für Anwendungsfälle wie Objekterkennung, Gesichtserkennung oder Bildsuche.
Sie sind darauf ausgelegt, kontextrelevante Informationen schnell über semantische Ähnlichkeiten bereitzustellen. E-Commerce-Plattformen können beispielsweise Produkte mit ähnlichen visuellen Merkmalen identifizieren, während soziale Netzwerke ihren Nutzern verwandte Bilder vorschlagen können. Ein anschauliches Beispiel ist Pinterest: Dort ermöglichen Vektordatenbanken die Entdeckung neuer Inhalte, indem jedes Bild als hochdimensionaler Vektor dargestellt wird. Wenn ein Nutzer ein Bild eines Sonnenuntergangs am Meer pinnt, kann das System schnell in der Vektordatenbank nach visuell ähnlichen Bildern suchen, etwa nach anderen Strandlandschaften oder Sonnenuntergängen.
Vektordatenbanken haben NLP revolutioniert, indem sie eine effiziente Speicherung und schnelle abfrage von verteilten Wortrepräsentationen ermöglichen. Modelle wie Word2Vec, GloVe oder BERT werden auf riesigen Textkorpora trainiert, um hochdimensionale Wort-Embeddings zu erzeugen, die semantische Zusammenhänge erfassen. Diese Embeddings werden in Vektordatenbanken gespeichert und stehen dort für schnelle Zugriffe bereit.
Da sie schnelle Ähnlichkeitssuchen ermöglichen Vektordatenbanken es den Modellen, kontextuell passende Wörter oder Phrasen zu finden. Diese Fähigkeit ist besonders wertvoll für Aufgaben wie semantische Suche, Fragebeantwortung, Textklassifikation oder Named Entity Recognition (Erkennung von Eigennamen). Darüber hinaus können Vektordatenbanken auch Embeddings auf Satzebene speichern. Diese erfassen den Kontext von Wörtern und ermöglichen ein differenzierteres Sprachverständnis.
Ist eine Vektordatenbank erst einmal mithilfe eines Embedding-Modells trainiert, kann sie für die Generierung personalisierter Empfehlungen eingesetzt werden. Sobald ein Nutzer mit dem System interagiert, werden sein Verhalten und seine Präferenzen genutzt, um ein individuelles Nutzer-Embedding zu erzeugen. Beispielsweise kann ein Nutzer ein Sprachmodell (LLM) nach einer Serienempfehlung fragen. Die Vektordatenbank schlägt daraufhin Serien vor, deren Inhalte oder Bewertungen den individuellen Vorlieben am nächsten kommen Empfohlen werden dann diejenigen Serien, deren Embeddings dem Nutzer-Muster am stärksten ähneln.
Finanzinstitute verwenden Vektordatenbanken, um betrügerische Transaktionen zu erkennen. Mit ihrer Hilfe lassen sich Transaktionsvektoren in Echtzeit mit bekannten Betrugsmustern vergleichen. Dank ihrer Skalierbarkeit unterstützen Vektordatenbanken zudem das Risikomanagement und ermöglichen neue Einblicke in das Verhalten von Verbrauchern. Indem Transaktionsdaten als Vektoren codiert werden, lassen sich Muster identifizieren, die auf auffällige Aktivitäten hinweisen. Darüber hinaus erleichtern sie die Bewertung der Kreditwürdigkeit und die Segmentierung von Verbrauchern durch die Analyse von Daten, um den Entscheidungsprozess zu verbessern.
Trotz zahlreicher Vorteile und vielfältiger Einsatzmöglichkeiten ist es wichtig, auch die Herausforderungen von Vektordatenbanken zu berücksichtigen.
Vektordatenbanken benötigen leistungsfähige Datenpipelines für die Datenaufnahme: Rohdaten aus verschiedenen Quellen müssen zunächst bereinigt, verarbeitet und mithilfe eines ML-Modells in Embeddings überführt werden. Erst dann können sie als Vektoren in der Datenbank gespeichert werden
Databricks Vector Search begegnet dieser Herausforderung mit einer umfassenden Lösung. Die Lösung automatisiert die Generierung, Verwaltung und Optimierung von Vektoren und sorgt für eine Echtzeitsynchronisierung der Quelldaten mit den zugehörigen Vektorindizes. Zudem übernimmt sie das Fehlermanagement, optimiert den Durchsatz und passt Batch-Größen sowie Skalierung automatisch an – ganz ohne manuelle Eingriffe.
Dieser Ansatz verringert den Bedarf an separaten Datenpipelines, reduziert den manuellen Aufwand für Entwicklerinnen und Entwickler und schafft Freiräume für höherwertige Aufgaben, die unmittelbar zum Geschäftserfolg beitragen, statt Zeit in den Aufbau und die Pflege komplexer Datenaufbereitungsprozesse zu investieren.
Vektordatenbanken erfordern zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen, Zugriffskontrollen und Data Governance sowie entsprechende Wartung und Verwaltung. Unternehmen benötigen strenge Sicherheits- und Zugriffskontrollen, um sicherzustellen, dass Nutzer keinen Zugriff auf GenAI-Modelle erhalten, die mit vertraulichen Daten verknüpft sind.
Viele aktuelle Vektordatenbanken bieten entweder keine ausreichenden Sicherheits- und Zugriffskontrollen oder verlangen von Unternehmen, eigene Sicherheitsrichtlinien separat aufzubauen und zu pflegen. Databricks Vector Search stellt eine einheitliche Oberfläche bereit, über die sich Datenrichtlinien definieren lassen. Zudem wird die Datenherkunft ganz ohne zusätzliche Tools automatisch nachverfolgt. Dadurch wird gewährleistet, dass LLM-Modelle keine vertraulichen Daten an Benutzer weitergeben, die keinen Zugriff darauf haben sollten.
Durch ihre leistungsstarken Funktionen für Ähnlichkeitssuchen und den Umgang mit hochdimensionalen Daten sind Vektordatenbanken unverzichtbare Werkzeuge für Data Scientists, die mit KI- und ML-Modellen arbeiten. Databricks Vector Search hebt sich hier als serverlose Vektordatenbank hervor. Sie erfordert keine manuelle Konfiguration und ermöglicht es Data Scientists, sich auf ihre eigentliche Arbeit zu konzentrieren, statt Zeit in Infrastrukturmanagement zu investieren.
Zu den wichtigsten Vorteilen von Databricks Vector Search zählen die nahtlose Integration in die Lakehouse-Architektur, automatisierte Datenaufnahme und bis zu fünfmal schnellere Ergebnisse im Vergleich zu anderen gängigen Vektordatenbanken. Darüber hinaus ist die Lösung vollständig kompatibel mit bestehenden Sicherheits- und Governance-Werkzeugen über Unity Catalog und gewährleistet so Datenschutz und Compliance.
Databricks Vector Search bietet sowohl Einsteigern und erfahrenen Nutzern große Flexibilität: mit automatischer Skalierung für Datenaufnahme und Abfragen sowie Plug-and-Replace-APIs für alle, die mehr Kontrolle über ihre Datenpipelines wünschen. Diese Kombination aus Benutzerfreundlichkeit und starker Leistung vereinfacht den Aufbau und Betrieb einer Vektordatenbank, ganz gleich wie viel Erfahrung ein Data-Science-Team mitbringt.
Vektordatenbanken organisieren Daten als Punkte in einem mehrdimensionalen Vektorraum. Jeder Punkt repräsentiert ein bestimmtes Datenelement und seine Position spiegelt die Ähnlichkeit oder das Verhältnis zu anderen Datenpunkten wider. Diese Vektordatenbankstruktur eignet sich besonders gut für viele Anwendungen im Bereich generativer KI, da Vektor-Embeddings typischerweise von großen Sprachmodellen (LLMs) erzeugt werden und sich Daten damit effizient durchsuchen und abrufen lassen.
Im Gegensatz dazu organisieren Graphdatenbanken Daten, indem sie sie in einer Graphstruktur speichern. Entitäten werden als Knoten (Nodes) auf einem Graphen dargestellt. Die Verbindungen zwischen ihnen werden als Kanten (Edges) dargestellt. Die Graphstruktur ermöglicht es, Datenobjekte als Netz aus Knoten und Kanten abzubilden, wobei die Kanten die jeweiligen Beziehungen zwischen den Knoten repräsentieren. Durch diese starke Vernetzung eignen sich Graphdatenbanken besonders gut für Szenarien, in denen die Beziehungen zwischen Datenpunkten ebenso relevant sind wie die Daten selbst.
Ein Vektorindex und eine Vektordatenbank erfüllen bei der Verarbeitung hochdimensionalen Daten unterschiedliche, aber sich ergänzende Funktionen.
Mit dem Boom rund um LLMs und GenAI-Anwendungen hat auch die Nutzung von Vektordatenbanken spürbar zugenommen. Mit der zunehmenden Reife von KI-Anwendungen werden die Entwicklung neuer Produkte und die sich wandelnden Bedürfnisse der Nutzerinnen und Nutzer maßgeblich bestimmen, wohin sich Vektordatenbanken in Zukunft entwickeln. Dennoch zeichnen sich bereits heute einige erwartbare Entwicklungsrichtungen für diese Technologie ab.
Databricks Mosaic AI Vector Search ist die integrierte Vektordatenbanklösung von Databricks innerhalb der Data Intelligence Platform. Dieses vollständig integrierte System macht separate Datenpipelines überflüssig und wendet Sicherheitsrichtlinien sowie Data-Governance-Mechanismen an – für einen konsistenten Schutz sämtlicher Datenressourcen.
Databricks Vector Search bietet eine leistungsstarke Lösung, die sofort einsatzbereit ist. Sie ermöglicht es großen Sprachmodellen (LLMs), relevante Ergebnisse schnell und mit minimaler Latenz abzurufen. Nutzer profitieren von automatischer Skalierung und Optimierung. Manuelle Anpassungen der Datenbankkonfiguration sind damit nicht mehr erforderlich. Diese Integration vereinfacht das Speichern, Verwalten und Abfragen von Vektor-Embeddings und erleichtert es Unternehmen, KI-Anwendungen wie Empfehlungssysteme und semantische Suchen zu implementieren und das bei gleichzeitiger Einhaltung von Sicherheits- und Governance-Standards.
Wer mehr über Vektordatenbanken und Vektorsuche erfahren möchte, findet eine Vielzahl hilfreicher Informationen:
Kontaktieren Sie Databricks, um eine Demo zu vereinbaren und mit jemandem über Ihre LLM- und Vektordatenbanken zu sprechen.
