Apache Cassandra vs. Qdrant：AIアプリケーションに適したベクターデータベースの選択

AIを活用したアプリケーションが普及するにつれ、開発者やエンジニアはベクトルデータを効率的に処理する適切なデータベースの選択という課題に直面します。この分野で人気のある2つの選択肢は、Apache CassandraとQdrantです。この記事では、ベクターデータベースのニーズに対して十分な情報を得た上で決断するために、これらのテクノロジーを比較します。

ベクターデータベースとは？

Apache CassandraとQdrantを比較する前に、まずベクターデータベースの概念について説明します。

ベクトルデータベース](https://zilliz.com/learn/what-is-vector-database)は、特に高次元のベクトルを格納し、クエリするように設計されています。ベクトルは非構造化データの数値表現です。これらのベクトルは、テキストの意味的な意味、画像の視覚的な特徴、または製品の属性などの複雑な情報を符号化する。効率的な類似検索を可能にすることで、ベクトルデータベースはAIアプリケーションにおいて極めて重要な役割を果たし、より高度なデータ分析と検索を可能にする。

ベクトルデータベースは、電子商取引の商品推奨、コンテンツ発見プラットフォーム、サイバーセキュリティにおける異常検知、医療画像分析、自然言語処理(NLP)タスクなど、多くのユースケースで採用されている。また、AI幻覚のような問題を軽減するために外部知識を提供することで大規模言語モデル(LLMs)のパフォーマンスを向上させる技術である、検索拡張生成(RAG)でも重要な役割を果たしている。

市場には、以下のような多くの種類のベクトル・データベースがある：

• Milvus](https://zilliz.com/what-is-milvus)、Zilliz Cloud(フルマネージドMilvus)など。

• Faiss](https://zilliz.com/learn/faiss)やAnnoyのようなベクトル検索ライブラリ。

• Chroma](https://zilliz.com/blog/milvus-vs-chroma)やMilvus Liteのような軽量ベクトルデータベース。

• 小規模なベクトル検索が可能なベクトル検索アドオンを備えた従来のデータベース**。

CassandraとQdrantは、ベクトル・データベースに対する異なるアプローチを表している。Cassandraは従来のデータベースにベクトル検索機能を追加したもので、Qdrantは専用のベクトルデータベースです。ベクトルデータを扱い、効率的に類似検索を行うために一から設計されています。Qdrantはベクトル演算に特化したソリューションで、類似検索やレコメンデーションなどのタスクに最適化されています。

##Apache Cassandra: 概要とコアテクノロジー

Apache Cassandraはオープンソースの分散型NoSQLデータベースで、そのスケーラビリティと可用性で知られています。Cassandraの特徴には、可用性、拡張性、調整可能な一貫性、柔軟なデータ・モデルのためのマスターレス・アーキテクチャがあります。Cassandra 5.0](https://cassandra.apache.org/doc/latest/cassandra/vector-search/concepts.html)のリリースにより、Storage-Attached Indexes (SAI)機能を通じてベクトル埋め込みとベクトル類似性検索をサポートするようになった。この統合により、Cassandraはベクトル・データを扱えるようになりましたが、ベクトル検索はネイティブ機能ではなく、Cassandraの既存のアーキテクチャの拡張として実装されていることに注意することが重要です。

Cassandraのベクトル検索機能は、既存のアーキテクチャ上に構築されています。これにより、ユーザーはベクトル埋め込みを他のデータと一緒に保存し、類似検索を実行できるようになります。この統合により、Cassandraは大規模な分散データを扱う強みを維持しながら、AI主導のアプリケーションをサポートできるようになる。

Cassandraのベクトル検索の重要なコンポーネントは、ストレージ・アタッチド・インデックス（SAI）の使用です。SAIは高度にスケーラブルでグローバルに分散されたインデックスで、あらゆるベクトル・データ型の列に列レベルのインデックスを追加します。SAIは、データベースがベクターサーチや他の検索インデックスを使用する際に、高いI/Oスループットを提供します。SAIは広範なインデックス機能を提供し、クエリとコンテンツ（文書、単語、画像などの大規模な入力を含む）の両方にインデックスを作成してセマンティクスを取得することができます。

Vector Searchは、SAIの新しいモジュール性を活用した、SAIの拡張性を検証する最初の事例である。このVector SearchとSAIの組み合わせにより、AIと機械学習のワークロードを処理するCassandraの機能が強化され、ベクトル・データベースの分野で強力な候補となる。

Qdrant概要とコアテクノロジー

Qdrantは、類似検索と機械学習アプリケーションのために特別に構築されたベクトルデータベースです。ベクトルデータを効率的に扱うためにゼロから設計されており、AIを駆使したプロジェクトに携わる開発者にとって最高の選択肢です。Qdrantはパフォーマンスの最適化に優れ、最新の機械学習モデルで重要な高次元のベクトルデータを扱うことができます。

Qdrantの強みの一つは柔軟なデータモデリングです。Qdrantはベクトルだけでなく、各ベクトルに関連するペイロードデータも格納し、インデックスを付けることができます。つまり、ベクターの類似性とメタデータに基づくフィルタリングを組み合わせた複雑なクエリを実行することができ、より強力で微妙な検索が可能になります。QdrantはACIDに準拠したトランザクションにより、同時処理中でもデータの一貫性を保証します。

Qdrantのベクトル検索機能はアーキテクチャの中核を成しています。高次元空間での効率で知られるHNSW(Hierarchical Navigable Small World)アルゴリズムのカスタムバージョンをインデックスに使用しています。これにより、多くのAIアプリケーションに不可欠な近似最近傍探索を高速に行うことができる。Qdrantは、精度が速度に勝るシナリオのために、厳密な探索手法もサポートしています。

Qdrantの特徴はクエリー言語とAPIデザインです。ベクトル検索とシームレスに連動する豊富なフィルタリングとクエリオプションを提供し、複雑な多段階クエリを可能にしています。そのため、従来のフィルタリングと並行してセマンティック検索を行う必要があるアプリケーションに特に適しています。Qdrantには自動シャーディングやレプリケーションなどの機能もあり、データやクエリの負荷の増加に合わせて拡張することができます。Qdrantは、文字列マッチング、数値範囲、地理位置など様々なデータタイプやクエリ条件をサポートしています。Qdrantのスカラー、積、バイナリ量子化機能は、特に高次元のベクトルに対してメモリ使用量を大幅に削減し、検索パフォーマンスを向上させます。

主な違い

検索方法

CassandraとQdrantはどちらもベクトル検索にHNSWアルゴリズムを使用しますが、実装は異なります。CassandraはStorage-Attached Indexes（SAI）を使ってベクトル検索を統合し、既存のアーキテクチャを拡張しています。Qdrantはベクトル検索に特化し、高次元空間用に最適化されたHNSWのカスタムバージョンをアーキテクチャのコア部分として使用しています。Qdrantは、精度が要求されるシナリオ向けに、厳密な検索手法も提供しています。

データハンドリング

Cassandraは大規模な構造化データや半構造化データの管理に優れており、ベクトル埋め込みデータを他のデータタイプと一緒に保存することができます。Qdrantは効率的なベクトルデータの取り扱いに重点を置いていますが、ベクトルに付随するペイロードデータもサポートしており、ベクトルの類似性とメタデータのフィルタリングを組み合わせた複雑なクエリを可能にしています。

スケーラビリティとパフォーマンス

Cassandraのマスターレスアーキテクチャは、分散システム間でリニアなスケーラビリティを実現します。Qdrantはスケーリングのための自動シャーディングとレプリケーションを提供し、高次元ベクトルのためのスカラー、積、バイナリ量子化などのパフォーマンス最適化も行います。

柔軟性とカスタマイズ

CassandraはSAI機能により柔軟性を提供し、既存のクエリ言語内でのカスタマイズを可能にします。Qdrantは、ベクトル検索と従来のフィルタリングを組み合わせた複雑な多段階クエリやベクトル操作に特化したリッチなクエリ言語とAPIデザインを提供します。

統合とエコシステム

Cassandraはビッグデータのエコシステムとうまく統合でき、ツールのエコシステムも成熟しています。Qdrantはより専門的で、AIや機械学習のワークフローに関連する統合に重点を置いています。

使いやすさ

Cassandraは分散型であり複雑であるため、学習曲線が急である。Qdrantはベクトル検索に特化して設計されているため、ベクトルに特化したアプリケーションのセットアップや利用が容易かもしれません。

コストの考慮

Cassandraは分散アーキテクチャのため、大規模なデプロイでは運用コストが高くなる可能性があります。Qdrantのコストはベクトルデータの規模やクエリの負荷に依存し、その効率最適化によって節約できる可能性がある。

セキュリティ機能

Cassandraは分散環境向けに堅牢なセキュリティ機能を提供しています。QdrantはACID準拠のトランザクションを提供し、様々なセキュリティ対策をサポートしているが、具体的な詳細は直接比較する必要がある。

QdrantとApache Cassandraのどちらを選ぶべきか

Apache Cassandra：Apache Cassandra**: Cassandraは大規模な分散データを扱い、他のデータタイプと一緒にベクトル検索機能を必要とする場合に選択します。特に、1台のサーバーや小規模クラスターの能力を超える巨大なデータセットを扱うシナリオに適しています。Cassandraは、高い書き込みスループット、強力な一貫性、複数のデータセンターにわたるフォールト・トレランスを必要とするアプリケーションに最適です。より大規模で多様なデータセットの一部としてベクトル・データを保存し、クエリする必要があるプロジェクトに適している。構造化データおよび半構造化データの処理に強みを持つCassandraは、ベクトル検索を主要な機能ではなく付加的な機能として必要とする複雑なデータ集約型アプリケーションに適しています。

Qdrant：ベクトル類似検索や機械学習アプリケーションに重点を置く場合はQdrantを選択します。高次元のベクトルデータを効率的に扱い、ベクトルの類似性とメタデータのフィルタリングを組み合わせた複雑なクエリを実行する必要があるプロジェクトに適しています。Qdrantは特に、高速な近似最近傍検索を必要とするAI駆動アプリケーションや、精度が重要で厳密な検索方法を必要とするシナリオに適しています。Qdrantは、ベクトル検索に特化したリッチなクエリ言語が必要な場合や、ベクトル検索機能を拡張するための自動シャーディングやレプリケーション機能が必要な場合に最適です。また、高次元ベクトルに対するスカラー、積、バイナリ量子化など、ベクトル検索に高度なパフォーマンス最適化が必要な場合にもQdrantが最適です。

結論

結論として、Apache CassandraとQdrantはどちらも強力なベクトル検索機能を提供しますが、それぞれ異なるユースケースや要件に対応しています。Cassandraは大規模な分散データの扱いに優れており、堅牢なスケーラビリティと複数のデータセンター間での強力な一貫性を提供します。ベクトル検索をより広範なデータ管理戦略に組み込む必要があるアプリケーション、特に多様なデータタイプや大量の情報を扱うアプリケーションには最適です。

一方、Qdrantはベクトル類似検索や機械学習アプリケーションに特化したアプリケーションで威力を発揮します。効率的なベクトルデータ処理に特化した設計は、豊富なクエリ言語とパフォーマンスの最適化と相まって、複雑なベクトル演算を必要とするAI主導のプロジェクトに理想的です。これらのテクノロジーのどちらを選択するかは、最終的には、特定のユースケース、ベクトルデータ操作の規模、全体的なデータアーキテクチャへの適合性によって決まります。

本記事ではCassandraとQdrantの概要を説明しますが、特定のユースケースに基づいてこれらのデータベースを評価することが重要です。このプロセスを支援するツールの1つが、ベクターデータベースのパフォーマンスを比較するために設計されたオープンソースのベンチマークツールであるVectorDBBenchです。最終的には、特定のデータセットとクエリパターンを使った徹底的なベンチマークが、分散データベースシステムにおけるベクトル検索への、強力でありながら異なる2つのアプローチのどちらを選ぶか、十分な情報に基づいた決断を下すために不可欠となるでしょう。

VectorDBBenchは、高性能なデータストレージと検索システム、特にベクトルデータベースを必要とするユーザーのために設計されたオープンソースのベンチマークツールである。このツールにより、ユーザは独自のデータセットを用いてMilvusやZilliz Cloud(マネージドMilvus)などの異なるベクトルデータベースシステムの性能をテスト・比較し、ユースケースに最も適したものを決定することができます。VectorDBBenchを使用することで、ユーザーはマーケティング上の主張や逸話的証拠に頼るのではなく、実際のベクトルデータベースのパフォーマンスに基づいて情報に基づいた決定を下すことができます。

VectorDBBenchはPythonで書かれており、MITオープンソースライセンスの下でライセンスされています。VectorDBBenchは、その機能と性能の改善に取り組む開発者のコミュニティによって活発にメンテナンスされています。

• VectorDBBenchをGitHubリポジトリ**からダウンロードして、我々のベンチマーク結果を再現したり、あなた自身のデータセットでパフォーマンス結果を得てください。

• VectorDBBench Leaderboard](https://zilliz.com/vector-database-benchmark-tool?database=ZillizCloud%2CMilvus%2CElasticCloud%2CPgVector%2CPinecone%2CQdrantCloud%2CWeaviateCloud&dataset=medium&filter=none%2Clow%2Chigh&tab=1)で主流のベクトルデータベースの性能を見てみましょう。

• ベクトルデータベースの評価については、以下のブログをお読みください。

  • Benchmark Vector Database Performance: Techniques & Insights

  • VectorDBBench: オープンソースのベクターデータベースベンチマークツール](https://zilliz.com/learn/open-source-vector-database-benchmarking-your-way)

  • 任意のベクトルデータベースと代替データベースを比較する

VectorDB、GenAI、MLに関するその他のリソース

• ジェネレーティブAIリソースハブ｜Zilliz

• Top Performing AI Models for Your GenAI Apps | Zilliz

• RAGとは

• 大規模言語モデル(LLM)を学ぶ](https://zilliz.com/learn/ChatGPT-Vector-Database-Prompt-as-code)

• ベクトルデータベース101](https://zilliz.com/learn/what-is-vector-database)

• 自然言語処理(NLP)](https://zilliz.com/learn/introduction-to-natural-language-processing-tokens-ngrams-bag-of-words-models)