Apache Paimon多模态数据湖实践：从结构化到非结构化的技术演进

在近期的 Streaming Lakehouse Meetup · Online EP.2｜Paimon × StarRocks 共话实时湖仓 直播中，Apache Paimon PMC 成员/阿里云数据湖资深工程师叶俊豪带来了关于 Paimon 多模态数据湖的深度技术分享。

随着大模型训练对数据规模与多样性的要求不断提升，传统以批处理为中心的数据湖架构已难以满足 AI 工作负载对实时性、灵活性和成本效率的综合需求。特别是在推荐系统、AIGC 等典型场景中，工程师既要高频迭代结构化特征，又要高效管理图像、音频、视频等非结构化数据。面对这一挑战，Paimon 作为新一代流式数据湖存储引擎，正通过一系列底层创新，构建面向 AI 原生时代的统一数据基础设施。

一、结构化场景下的“列变更”困境

在推荐、广告等 AI 应用中，特征工程是一个持续演进的过程。例如，电商团队可能今天新增“用户近7日点击品类分布”，明天又加入“跨端行为一致性评分”。这种动态列变更导致“列爆炸”问题：表结构频繁扩展，而历史数据需与新特征对齐。

然而，已知的解决方案在此场景下仍然存在一些问题：

• 主键表 partial-update：虽支持按主键更新部分列，但其基于 LSM 树的实现会在写入频繁时产生大量小文件，查询性能急剧下降；Compaction 虽可合并文件，却带来数倍的临时存储开销。

• odps 存新特征值 + Join 拼接方案：将新特征写入独立表，查询时通过主键 Join 合并。看似避免了重写，但 Join 操作本身在 PB 级数据上开销巨大，且难以优化。

• Append 表 + MERGE INTO：SQL 语法简洁，但底层仍需重写整个数据文件。对于每天增量达 PB 级的训练集，全量重写不仅成本高昂，还显著拖慢特征上线周期。

这些方案本质上都未能解耦“列”的物理存储，导致灵活性与效率不可兼得。

二、Paimon 的列分离架构：以全局 Row ID 为核心

Paimon 提出了 列分离存储架构，其核心是引入 全局唯一且连续的 Row ID。每行数据在首次写入时被分配一个在整个表生命周期内不变的 ID，且每个数据文件内的 Row ID 是连续的，元数据会记录该文件的起始 Row ID。

这一设计带来两个关键能力：

1. 精准定位任意行：通过 Row ID 可直接定位到具体文件及偏移；

2. 跨文件自动关联：当查询涉及多个列时，系统能根据 Row ID 范围自动将分散在不同文件中的列数据在存储层合并。

例如，当新增“用户兴趣标签”列时，Paimon 仅需写入一个包含该列与对应 Row ID 的新文件，无需修改原始特征文件。查询时，引擎透明地将两组文件按 Row ID 对齐合并，无需 SQL 层 Join，也无需重写历史数据。这种机制将列变更的存储成本从 O(N) 降至 O(ΔN)，极大提升了特征迭代效率，同时节省了数十倍的存储空间。

三、迈向多模态：Blob 数据类型的三大突破

AI 训练不再局限于结构化特征。AIGC、多模态大模型等场景要求数据湖能高效处理图像、短视频、长音频等非结构化数据。这类数据具有两大特点：体积差异大（几 MB 到数十 GB）、访问稀疏（训练时通常只读取片段）。

传统列式格式（如 Parquet）将多模态数据与结构化字段混存，导致即使只查用户 ID，也需加载整个含视频的大文件，I/O 效率极低。

Paimon 引入 Blob 数据类型，实现三大突破：

1. 物理分离存储：Blob 列独立成文件，与结构化数据完全解耦。查询结构化字段时，Blob 文件完全不参与 I/O，避免资源浪费。

2. 多引擎统一抽象：无论使用 Spark、Flink、Java SDK 还是 Python 客户端，均可通过标准的 BYTES 或 BINARY 或 BLOB 类型定义 Blob 字段，接口一致，降低接入成本。

3. blob-as-descriptor 机制：针对超大非结构化数据（如十几GB的视频/日志文件），传统计算引擎（如Flink/Spark）无法将其全量加载到内存中处理。为此，系统引入了 blob-as-descriptor 机制——它是一种协议，通过记录数据在外部存储（如OSS）中的位置、文件路径、起始偏移和长度等元信息，将实际数据读取任务交给下游系统按需流式加载。这样避免了内存溢出，实现了大文件高效入湖。

四、生产验证与未来演进

当前，Paimon Blob 已在淘宝、天猫等核心业务中实现大规模落地，每天有近 10PB 的多模态数据（如视频、音频、图像）通过 Blob Descriptor 协议高效写入 Paimon 湖，避免了 Flink 或 Spark 将大文件全量加载到内存的问题。然而，在实际使用中仍面临三大关键挑战：

• 数据重复与删除问题，用户常因多次上传相同内容导致大量冗余（预估约 1PB/天的重复数据），亟需高效的去重与删除机制；

• 小文件碎片化问题，频繁的小规模写入产生海量微小 Blob 文件，严重影响读取性能和存储效率；

• 点查召回延迟高，缺乏对主键（如 UID）或向量特征的快速索引支持，难以满足毫秒级实时查询需求。

针对上述问题，团队已规划清晰的演进路径。

• 点查性能优化方面，推进热 ID 下推能力，并构建统一的全局索引框架，同时支持标量索引（如字符串、数值）和向量索引（用于 AI 召回），其中基础版标量索引预计本月在开源 Master 分支可用。

• 多模态数据管理方面，启动两项核心功能：

  • 一是基于 Deletion Vector + 占位符 的逻辑删除方案，在 Compaction 阶段安全清理重复或无效数据；

  • 二是开发 Blob Compaction 机制，自动合并小文件以提升读性能和存储密度。

此外，团队还前瞻性地提出跨表 Blob 复用的构想——多个表引用同一视频时仅存储一份物理数据，虽因涉及多表状态同步与一致性保障而技术难度较高，但已列入长期优化方向。整体目标是打造一个高效、紧凑、可快速检索的多模态数据湖底座，支撑未来 AIGC 与智能推荐等场景的规模化应用。

结语

Paimon 的技术演进，从结构化场景的列分离，到多模态数据的 Blob 抽象，每一项创新都源于真实业务痛点，并反哺于工程效率的提升。它不再只是“存储数据的地方”，而是成为 AI 原生时代的数据操作系统——高效、灵活、智能。

Paimon 将长期、持续且大力投入全模态数据湖建设，全面支持图像、音视频等非结构化数据的高效入湖、去重、合并与毫秒级点查。通过 Deletion Vector、Compaction 优化和全局索引等能力，Paimon 正构建面向 AI 时代的统一数据底座。作为开放湖表格式。

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在数据驱动的 AI 时代，基础设施的价值，最终要体现在对业务效率的实质性推动上。 Paimon 的实践，正为整个行业提供一条通往高效、统一、智能数据湖的新路径。

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