Die Bedeutung der Vektorsuche hat in den letzten Jahren rasant zugenommen, insbesondere durch den Aufstieg von Anwendungen im Bereich Künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen und Informationsretrieval. Vektordatenbanken ermöglichen es, hochdimensionale Vektoren effizient zu speichern und abzufragen, was in zahlreichen Branchen von der Bild- und Spracherkennung bis hin zu Empfehlungssystemen und Suchmaschinen eingesetzt wird. Angesichts der steigenden Datensätze und der Komplexität der Suchanfragen setzen viele Unternehmen auf cloudbasierte Infrastrukturen, um Skalierbarkeit, Flexibilität und Verfügbarkeit zu gewährleisten. Dabei ist die Wahl der geeigneten CPU in der Cloud ein entscheidender Faktor, um sowohl Leistung als auch Betriebskosten zu optimieren.In einer aktuellen Studie, die unter dem Titel „Bang for the Buck: Vector Search on Cloud CPUs“ veröffentlicht wurde, analysieren die Autoren Leonardo Kuffo und Peter Boncz unterschiedliche CPU-Mikroarchitekturen in Cloudumgebungen hinsichtlich ihrer Effizienz bei Vektor-Suchanfragen.
Die Ergebnisse offenbaren signifikante Leistungsunterschiede je nach CPU-Modell und gewähltem Suchindex, was für Entscheider und Entwickler wichtige Implikationen bietet.Die Untersuchung widmet sich mehreren populären Cloud-CPUs, darunter AMDs Zen4, Intels Sapphire Rapids, sowie die ARM-basierten Graviton3 und Graviton4 Prozessoren von Amazon Web Services. Dabei werden verschiedene Vektorsuchalgorithmen betrachtet, insbesondere der IVF-Index (Inverted File Index) mit 32-Bit-Float-Vektoren sowie der HNSW-Index (Hierarchical Navigable Small World). Die Wahl des Index typt sich nicht nur durch die Suchgeschwindigkeit aus, sondern hat auch Einfluss auf die Genauigkeit und die benötigte Rechenleistung.Besonders auffällig ist, dass AMDs Zen4-Prozessoren im Szenario mit IVF-Index nahezu das Dreifache an Anfragen pro Sekunde (Queries per Second, QPS) verarbeiten im Vergleich zu Intels Sapphire Rapids CPUs.
Dies spricht für die Eignung von AMD-Hardware in spezifischen Vektorsuchkontexten, die auf diese Indexform setzen. Im Gegensatz dazu kehrt sich das Bild beim HNSW-Index um, wobei hier Intels Prozessoren oft besser abschneiden. Dieser Befund verdeutlicht, dass keine einzelne CPU-Architektur universell die beste Wahl ist, sondern der Anwendungskontext und das gewählte Suchverfahren maßgeblich die Performance bestimmen.Ein ebenso wichtiger Aspekt, der in der Studie behandelt wird, ist die Wirtschaftlichkeit der Vektorsuche in der Cloud. Hier kommt die Kennzahl „Queries per Dollar“ (QP$) ins Spiel, mit der bewertet wird, wie viele Suchanfragen pro ausgegebenem US-Dollar durchgeführt werden können.
Überraschenderweise bietet der Graviton3 Prozessor, ein ARM-basierter Cloud-CPU-Typ von AWS, in den meisten getesteten Szenarien die beste Kosteneffizienz, und das trotz modernerer Graviton4 CPUs, die durchaus mehr Leistung liefern können. Dieser Sachverhalt ist insbesondere für Unternehmen interessant, die ihre Cloud-Ausgaben möglichst gering halten wollen, ohne auf Leistung verzichten zu müssen.Die Auswahl der CPU hat somit nicht nur technische, sondern auch wirtschaftliche Relevanz. Für IT-Teams, Entwickler und Cloud-Architekten ist es entscheidend, ein tiefes Verständnis der zugrundeliegenden Hardware zu entwickeln, um den besten Kompromiss zwischen Geschwindigkeit, Ressourcenverbrauch und Kosten zu finden. Die Vielfalt der verfügbaren Cloud-CPUs bietet Optionen, die je nach Anwendungsfall sehr unterschiedlich geeignet sind.
Ein praktisches Beispiel aus der Praxis verdeutlicht dies: Ein Unternehmen, das einen Suchdienst mit hohen Anforderungen an Durchsatz und niedrige Latenz betreibt, könnte durch den Einsatz von AMD Zen4 CPUs bei ihrem IVF-basierten Vektorsuchindex signifikante Leistungssteigerungen erreichen. Gleichzeitig müssen sie aber die höheren Kosten der AMD-Instanzen gegen den günstigeren Betrieb auf Graviton3 abwägen, der zwar langsamer ist, aber günstiger in der Skalierung. Eine hybride Strategie, die verschiedene CPU-Typen parallel einsetzt, wäre denkbar, um Workloads optimal zu steuern.Die technische Grundlage für die unterschiedlichen Leistungen basiert auf Mikroarchitektur und Spezialfunktionen der CPUs. AMDs Zen4 besitzt beispielsweise breit angelegte SIMD-Einheiten (Single Instruction, Multiple Data), die Vektoroperationen stark beschleunigen können, während Intel mit einer anderen Cache- und Speicherhierarchie punktet, die bei komplexeren Graph-ähnlichen Suchstrukturen wie HNSW Vorteile bringt.
ARM-basierte Graviton-Prozessoren kombinieren Energieeffizienz mit konkurrenzfähiger Rechenleistung, was sie besonders attraktiv für Kostensensible Cloud-Anwendungen macht.Die Relevanz dieser Studienergebnisse wird weiter durch den wachsenden Trend zur Cloud-nativen Entwicklung und die Verbreitung von KI-Anwendungen verstärkt. Unternehmen versuchen allmählich, ihre spezialisierte Infrastruktur für Machine Learning und Vektorsuche von teuren On-Premise-Rechenzentren in flexibel skalierbare Cloud-Umgebungen zu verlagern. Dort ist es möglich, unterschiedliche Instanztypen für verschiedene Workload-Anforderungen zu mieten, was die Bedeutung von fundiertem Wissen über Performance-Kennzahlen erhöht.Neben der Wahl der CPU ist auch das richtige Vektorsuchverfahren selbst ein Hebel, um die Effizienz zu steigern.
Während IVF-Indexe durch strukturierte Partitionierung sehr gut bei hoher Parallelisierung performen, bieten HNSW-Graphen Vorteile bei der Reduktion von Suchpfaden und damit einer potentiell besseren Genauigkeit bei geringerer Latenz. Die quantitativen Unterschiede zwischen den CPUs bei der Ausführung dieser Algorithmen zeigen die Komplexität der Abstimmung von Software und Hardware.Neben der Performance-Messung auf technischer Ebene wird in der Untersuchung auch die Skalierbarkeit diskutiert. Cloud-Server, deren Leistung sich durch Anzahl der Kerne und Taktung variieren lässt, erlauben eine flexible Anpassung an die Anforderungen. Allerdings kommt hier der Kostenfaktor schnell ins Spiel, sodass eine Balance zwischen Rechenleistung, Latenz, Durchsatz und finanziellen Mitteln gefunden werden muss.
Die zentrale Frage bleibt: Wie maximiert man die Anzahl an Suchanfragen, die bei gegebenem Budget verarbeitet werden können?Die daraus resultierenden Empfehlungen sind für verschiedene Zielgruppen wertvoll. Betreiber von Vector-Datenbanken, Dienstleister im Bereich KI-gestützter Suche, Entwickler von Empfehlungssystemen und Cloud-Architekten profitieren gleichermaßen von den differenzierten Einblicken. Sie erhalten eine Entscheidungsgrundlage, nicht nur nach der reinen Leistungsfähigkeit eines Cloud-Servers zu schauen, sondern die Kosten pro abgewickelte Suchanfrage als zentralen Maßstab heranzuziehen.In Zukunft werden sich vermutlich noch weitere CPU-Generationen und alternative Architekturen auf dem Markt etablieren. Das Thema Edge-Computing, bei dem Vektorsuchen lokal auf Geräten mit beschränkter Hardware laufen müssen, stellt weitere Herausforderungen dar.
Doch auch in der Cloud wird die Bedeutung von Benchmarks steigen, um Transparenz und Vergleichbarkeit für Nutzer zu schaffen.Die Offenheit der cloudbasierten Lösungen begünstigt zudem die kontinuierliche Weiterentwicklung von Vektorsuchalgorithmen und Hardware-Unterstützung durch Prozessorhersteller. So ist es wahrscheinlich, dass zukünftige CPUs vermehrt spezialisierte Einheiten für Vektor- und Matrixoperationen integrieren, um den steigenden Anforderungen gerecht zu werden.Abschließend lässt sich sagen, dass der Erfolg bei der Implementierung von Vektor-Datenbanksystemen in der Cloud stark von der optimalen Auswahl der zugrundeliegenden Hardware abhängt. Dabei spielen sowohl die Art der Suchindizes als auch das Kostenbewusstsein eine maßgebliche Rolle.
Die Erkenntnisse aus aktuellen Studien helfen Unternehmen, „bang for the buck“ zu erzielen – also das bestmögliche Verhältnis aus Kosten und Leistung herauszuholen.Im Zeitalter von Big Data, künstlicher Intelligenz und datengetriebenen Geschäftsmodellen wird der intelligente Umgang mit Rechenressourcen immer wichtiger. Wer seine Vektorsuchen auf Cloud-CPUs strategisch plant und kontinuierlich optimiert, sichert sich nicht nur einen Wettbewerbsvorteil, sondern gestaltet zugleich ein nachhaltiges und effizientes IT-Ökosystem für die Zukunft.
