들어가며

대규모 언어모델(이하 LLM)이 자연어 처리영역에서 높은 성능을 보이고 있지만, 특정 도메인이나 전문 분야에서는 환각효과와 같은 문제가 발생하고 있습니다. 특히 학습되지 않은 분야에서는 정확한 답변을 할 수 없는데, 예를 들어 로펌에서 보관하고 있는 판례, 슬랙에 저장된 회사 커뮤니케이션과 같은 고유데이터에 대해서는 LLM이 적절한 답변을 제공할 수 없습니다. 회사가 방대하게 축적한 고유데이터를 의미 있게 검색하기 위해서는 LLM만으로 부족한 것이죠.

이러한 문제를 해결하기 위해 벡터데이터베이스(VectorDB)를 대규모언어모델의 장기기억 저장장치로 활용하는 방안이 주목받고 있습니다. 문서, 이미지, 텍스트, 음성 등 모든 종류의 데이터는 벡터데이터(벡터임베딩)로 변환될 수 있는데, 벡터데이터베이스는 이러한 벡터임베딩을 저장하고 검색하기 위한 데이터베이스입니다.

벡터임베딩 : 모든 데이터를 표현하다

기존의 관계형 데이터베이스(RDB)나 NoSQL 데이터베이스가 데이터 형식에 제약을 받는 것과는 달리, 벡터 데이터베이스는 모든 데이터를 벡터임베딩이라는 통일된 형식으로 처리할 수 있어 효과적인 데이터 관리와 검색이 가능합니다. 그렇다면 벡터데이터베이스를 어떤 방식으로 LLM의 장기기억저장장치로 사용할 수 있을까요?

Aeca를 활용해 위키피디아 백과사전을 대상으로 Q&A 시스템을 구축한 사례를 살펴보도록 하겠습니다. 먼저 아래 4가지 과정으로 구분할 수 있습니다.

1. 원본데이터를 벡터임베딩으로 변환
2. 벡터임베딩 저장
3. 검색어를 벡터임베딩으로 변환후 유사 임베딩 검색
4. 검색결과를 LLM에 컨텍스트로 전달하여 답변

Case Study

원본데이터를 벡터임베딩으로 변환

위키피디아 영문, 한글데이터를 위키홈페이지 에서 다운로드합니다.

위키데이터: 데이터베이스 다운로드

위의 원본 문서데이터를 벡터임베딩으로 변환합니다. 임베딩으로 변환하기 위해서 SentenceTransformer의 "paraphrase-multilingual-mpnet-base-v2" 모델을 사용하였으며, 모델의 Vector dimension은 782차원 입니다. 문서데이터를 벡터임베딩으로 변환할 때 벡터화 단위를 결정해야 합니다. 개별단위문서, 문서페이지, 문단단위로 벡터화 할 수 있으며, 여기서는 문단 단위로 벡터임베딩을 생성하였습니다.

이렇게 변환된 벡터임베딩의 개수는 영문 약 3.4억개, 한글 1,700만개 입니다.

벡터임베딩을 Aeca에 저장

이제 생성된 벡터임베딩을 벡터데이터베이스에 저장해야 합니다. 저장 대상파일의 스키마는 문단 ID, 문단 원본내용, 해당 문단의 벡터임베딩입니다. 로컬 랩탑에 설치된 Aeca를 Python에서 import하였습니다. Aeca의 Python SDK는 데이터의 저장 검색을 쉽게하기 위한 다양한 라이브러리를 제공합니다.

channel = aeca.Channel("localhost", 10080)

다음으로 Aeca가 제공하는 데이터모델 중 하나인 DocumentDB를 호출하여 벡터임베딩을 저장합니다.

doc_db = aeca.DocumentDB(channel)
doc_db.insert("Example.K-GAAP", docs)

위 과정에 사용한 코드는 단 25줄에 불과합니다.

import pickle
import aeca

def main():
    with open("data/wiki.pk", "rb") as fp:
        content = pickle.load(fp)

    docs = []
    for sentence_id, line, embed in content:
        if len(line) < 10:
            continue
        doc = {
            "sentence_id": sentence_id,
            "sentence": line,
            "sentence_embed": embed.tolist(),
        }
        docs.append(doc)

    channel = aeca.Channel("localhost", 10080)
    doc_db = aeca.DocumentDB(channel)
    doc_db.insert("Example.wiki", docs)

if __name__ == "__main__":
    main()

검색어를 벡터임베딩으로 변환후 유사 임베딩 검색

Congica에 저장된 위키피디아 백과사전을 대상으로 검색하여 관련된 문서를 찾아야 합니다. 관련성이 높은 결과를 찾기 위해 벡터검색과 Full text search를 모두 이용한 하이브리드 검색을 사용하였습니다.

벡터검색이 필요한 이유

벡터검색을 위해서는 입력된 질문, 검색어등을 벡터임베딩으로 변환해야합니다. 이 때 저장된 데이터에 사용한 Transformer 모델과 동일한 모델을 사용해 검색어 임베딩을 만들어야 합니다. 그리고 검색어 임베딩과 가장 유사한 임베딩을 찾은 후 Full text search 결과를 함께 고려하여 반환한 검색결과의 원본데이터를 LLM에 전달합니다. 유사한 벡터임베딩을 검색하는 알고리즘은 ANN 등이 있는데, 이 사례에서는 HNSW 알고리즘을 사용하였습니다.

위 과정에 사용한 코드 입니다.

import aeca

def main():
    channel = aeca.Channel("localhost", 10080)
    doc_db = aeca.DocumentDB(channel)
    model = aeca.SentenceTransformerEncoder(
        channel, "paraphrase-multilingual-mpnet-base-v2"
    )

    query = input("> ")
    query_embed = model.encode(query)
    dtypes = {"sentence_embed": "json", "_meta": "json"}
    query_embed = ", ".join([str(v) for v in query_embed[0].tolist()])
    search_query = {
        "$search": {
            "query": (
                f"(sentence:({query}))^0.2 or"
                f" (sentence_embed:[{query_embed}])^20"
            ),
            "limit": 1000,
            "min_score": 0.7,
        },
        "$hint": "sk_fts",
    }
    df = doc_db.find("Example.wiki", search_query, dtypes=dtypes)
    print(df)

    sentence_id = int(df["sentence_id"][0])
    context_query = {
        "sentence_id": {"$gte": sentence_id - 2, "$lte": sentence_id + 18},
        "$project": ["sentence_id", "sentence"],
        "$sort": ["sentence_id"],
    }
    df = doc_db.find("Example.wiki", context_query, limit=1000)
    print(len(df))
    print(df)

if __name__ == "__main__":
    main()

검색결과를 LLM에 컨텍스트로 전달하여 답변

검색결과의 원본데이터를 LLM에 전달합니다. LLM 전달받은 텍스트를 기반으로 질문에 적합한 답변을 생성합니다. 아래는 위 과정을 그림으로 나타낸 것입니다.

결과 살펴보기

이제 결과를 한 번 살펴 볼까요? 아래 2개의 질문을 하고 ChatGPT 와 비교해보겠습니다.

1. 전 세계에는 몇 개의 국가가 있어?
2. 대한민국 최초의 검색엔진은?

전 세계에는 몇 개의 국가가 있어?

벡터데이터베이스를 사용한 경우에서는 위키피디아의 “국가” 문서를 검색한 다음 LLM이 해당 문서의 내용을 토대로 답변을 생성해줍니다. 또한 원본 문서를 함께 제공하여 전 세계에는 220여개의 국가가 있는 것을 해당 문서에서 확인 할 수 있습니다.

ChatGPT는 2021년 9월을 기준으로 195개의 독립국가가 있다는 답변을 제공하는데, 답변의 구체적인 근거를 제공하지는 않습니다.

대한민국 최초의 검색엔진은?

위키피디아를 대상으로 검색한 결과는 1995년에 개발된 코시크를 답변하는 반면, ChatGPT는 1996년 출시된 웹메이트라는 답변을 제공합니다. Aeca에서 답변과 제공된 원본문서를 확인해보았습니다. “한글검색엔진”이라는 페이지에서 1995년 코시크가 개발된 것을 확인 할 수 있습니다.

ChatGPT와 같이 LLM 만을 사용할 경우 사실과 다른 정보가 답변되거나, 답변의 근거를 확인 할 수 없는 문제가 있습니다. 그러나 벡터데이터베이스를 사용하면 LLM이 학습하지 않은 최신 정보에 대해서도 정확한 답변이 가능하고, 답변의 근거를 확인하여 신뢰성을 높일 수 있습니다.

응용사례 살펴보기

이 Case Study에서는 위키피디아 백과사전을 대상으로 하였으나, 모든 문서에 데이터에 대해 동일하게 적용 할 수 있습니다. 특히 아래와 같은 내부데이터는 LLM이 학습 할 수 없는 것들인데, 이를 Aeca에 저장하여 LLM과 함께 사용하면 질문에 적합한 답변을 빠르게 찾아 활용 할 수 있습니다.