論文概要(Abstract)
本記事はNV-Embed: Improved Techniques for Training LLMs as Generalist Embedding Modelsの解説記事です。
NV-Embedは、NVIDIAが提案したdecoder-only LLM(Mistral-7B)をベースとした汎用テキスト埋め込みモデルである。著者らは、(1) シーケンス表現抽出のためのLatent Attention Layer、(2) contrastive学習時のcausal attention maskの除去、(3) 検索タスクと非検索タスクを段階的に学習する2段階instruction-tuning、(4) positive relevance scoreを考慮したhard negative mining手法を提案している。NV-Embed-v2はMTEB(Massive Text Embedding Benchmark)の56タスクで総合スコア72.31を達成し、2024年8月30日時点でリーダーボード1位を記録したと著者らは報告している(論文Table 1より)。本論文はICLR 2025にSpotlightとして採択されている。
この記事は Zenn記事: 合成データ×Embedding Fine-tuningでセマンティック検索精度を定量改善する の深掘りです。
情報源
- arXiv ID: 2405.17428
- URL: https://arxiv.org/abs/2405.17428
- 著者: Chankyu Lee, Rajarshi Roy, Mengyao Xu, et al.(7名、NVIDIA所属)
- 発表年: 2024(v1: 2024年5月27日、v3: 2025年2月25日更新)
- 分野: cs.CL, cs.AI, cs.IR, cs.LG
- ステータス: ICLR 2025 Spotlight
背景と動機(Background & Motivation)
テキスト埋め込みモデルはセマンティック検索、クラスタリング、分類など多様なNLPタスクの基盤技術である。従来はBERTやT5などのencoder系モデルが主流であったが、LLMのスケーリングに伴い、decoder-only LLMを埋め込みモデルとして活用する研究が進展している。
しかし、decoder-only LLMを埋め込みモデルに転用する際には複数の技術的課題が存在した。第一に、decoder-only LLMはcausal attention maskにより各トークンが後続トークンを参照できないため、双方向的な文脈理解が制限される。第二に、シーケンス全体の表現をどのようにpoolingするかという問題がある。mean poolingや最終トークン(EOS)のembeddingを使う方法が一般的だが、いずれも最適とは限らない。第三に、retrieval、classification、clusteringなど異種タスクを同時に学習すると、タスク間の勾配干渉により性能が低下する問題があった。
著者らはこれらの課題に対し、アーキテクチャ設計・学習手法・データキュレーションの3軸から統合的にアプローチしている。
主要な貢献(Key Contributions)
- Latent Attention Layer: LLMの最終層hidden statesに対してcross-attentionを適用し、学習可能な潜在ベクトル辞書(512個)を用いてシーケンス表現を抽出する新しいpooling手法。mean poolingやEOSトークン方式を一貫して上回ると報告されている(論文Table 2, 3より)
- Bidirectional Attention: contrastive学習時にcausal attention maskを除去し、全トークンが双方向に参照可能とすることで表現学習の品質を向上
- Two-Stage Instruction Tuning: Stage 1でretrievalタスクをin-batch negativesと共に学習し、Stage 2で非retrievalタスク(classification、clustering、STS)をin-batch negativesなしでブレンド学習。タスク間の勾配干渉を回避
- Hard Negative Mining with Positive Awareness: positiveスコアに基づくマージン閾値を導入し、false negativeの除去精度を改善
技術的詳細(Technical Details)
Latent Attention Layer
Latent Attention Layerは学習可能な潜在ベクトル辞書をKey/Valueとして使用するcross-attention機構である。LLMの最終層hidden states $\mathbf{Q} \in \mathbb{R}^{l \times d}$ をQueryとし、潜在辞書 $\mathbf{D} \in \mathbb{R}^{r \times d}$ をKey/Valueとして計算する。
\[\mathbf{O} = \text{softmax}\left(\frac{\mathbf{Q}\mathbf{D}^T}{\sqrt{d_h}}\right)\mathbf{D}\]ここで、
- $\mathbf{Q} \in \mathbb{R}^{l \times d}$: LLM最終層の隠れ状態($l$: シーケンス長、$d$: 隠れ次元)
- $\mathbf{D} \in \mathbb{R}^{r \times d}$: 学習可能な潜在辞書($r = 512$: 潜在ベクトル数)
- $d_h$: attention headあたりの次元数
著者らは8ヘッドのmulti-head attentionを使用している。cross-attentionの出力にMLP(linear → GELU → linear)を適用した後、mean poolingで最終的な固定長ベクトルを得る。
mean poolingが全トークンを等重みで平均するのに対し、Latent Attention Layerはタスクに応じた重み付けを学習的に獲得する。
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import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
class LatentAttentionLayer(nn.Module):
"""NV-EmbedのLatent Attention Layer
Args:
hidden_dim: LLMのhidden dimension
num_heads: multi-head attentionのhead数
num_latents: 潜在辞書のベクトル数
"""
def __init__(
self, hidden_dim: int = 4096, num_heads: int = 8, num_latents: int = 512
) -> None:
super().__init__()
self.num_heads = num_heads
self.head_dim = hidden_dim // num_heads
self.latent_dict = nn.Parameter(torch.randn(num_latents, hidden_dim) * 0.02)
self.mlp = nn.Sequential(
nn.Linear(hidden_dim, hidden_dim), nn.GELU(), nn.Linear(hidden_dim, hidden_dim),
)
def forward(self, hidden_states: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
"""Cross-attentionによるシーケンス表現の抽出
Args:
hidden_states: LLM最終層出力 (batch, seq_len, hidden_dim)
Returns:
固定長埋め込みベクトル (batch, hidden_dim)
"""
bsz, seq_len, dim = hidden_states.shape
q = hidden_states.view(bsz, seq_len, self.num_heads, self.head_dim).transpose(1, 2)
d = self.latent_dict.unsqueeze(0).expand(bsz, -1, -1)
d = d.view(bsz, -1, self.num_heads, self.head_dim).transpose(1, 2)
attn = F.softmax(q @ d.transpose(-2, -1) / self.head_dim**0.5, dim=-1)
out = (attn @ d).transpose(1, 2).contiguous().view(bsz, seq_len, dim)
return self.mlp(out).mean(dim=1)
Causal Attention Maskの除去
Decoder-only LLMは事前学習時にcausal(左から右への)attention maskを使用するが、contrastive学習ではシーケンス全体の意味表現を獲得することが目的である。著者らはcontrastive学習時にcausal maskを除去し、bidirectional attentionに切り替えることで、全トークンが双方向に情報を参照できるようにしている。
論文のablation(Table 2, 3)によれば、bidirectional attentionはcausal attentionと比較してMTEB全カテゴリで1.5-2.5%程度の改善をもたらしたと報告されている。この改善は直感的にも理解できる。埋め込みタスクではシーケンス全体の意味を捉える必要があり、後続トークンの情報を参照できないcausal maskは不要な制約となるためである。
Two-Stage Instruction Tuning
NV-Embedの学習パイプラインは2段階で構成される。この設計の動機は、retrievalタスクと非retrievalタスク(classification、clustering、STS)の学習ダイナミクスの違いにある。
flowchart TD
A[Mistral-7B Base Model] --> B[Stage 1: Retrieval Training]
B --> C[Stage 2: Multi-task Blending]
C --> D[NV-Embed-v2]
B -- in-batch negatives有効 --> B1[MSMARCO]
B -- hard negatives --> B2[HotpotQA / NQ / PAQ]
B -- 合成データ --> B3[Mixtral生成 120K例]
C -- in-batch negatives無効 --> C1[Classification 10データセット]
C -- --> C2[Clustering 6データセット]
C -- --> C3[STS 3データセット]
C -- retrieval維持 --> C4[Retrievalデータの一部]
Stage 1: Retrieval-Focused Contrastive Training
Stage 1ではretrievalタスクに特化したcontrastive学習を行う。使用データセットはMSMARCO、HotpotQA、Natural Questions、PAQ、Stack Exchange、NLI、SQuAD、ArguAna、BioASQ、FiQA、FEVER、HoVer、SciFact、NFCorpus、MIRACL、Mr.TyDiなどの公開データセットに加え、Mixtral-8x22Bで生成した合成データ120,000例(short-long 40,000、long-short 40,000、short-short 40,000の3パターン、60,000タスク分)を使用する。
この段階ではin-batch negativesを有効化する。バッチ内の他のpositiveペアをnegativeとして再利用するin-batch negatives手法は、retrieval学習の効率を大幅に向上させる。
Stage 2: Multi-task Blending
Stage 2では非retrievalタスクをブレンドして学習する。分類(AmazonReviews、Banking77、Emotion、IMDB等10データセット)、クラスタリング(arxiv、biorxiv、Reddit等6データセット)、STS(STS12、STS22、STS-Benchmark 3データセット)を追加しつつ、retrievalデータの一部も混合して検索性能の維持を図る。
Stage 2ではin-batch negativesを無効化する。これは非retrievalタスク、特にclassificationやclusteringでは、同一バッチ内に同じクラスのサンプルが含まれる可能性が高く、in-batch negativesがfalse negativeを生成してしまうためである。著者らはこの設計選択を「zigzag gradient updatesの回避」と表現している。
ablation結果(論文Table 4)によれば、2段階学習(72.31)は単一段階学習(in-batch有効: 70.83、in-batch無効: 71.94)および逆順2段階学習(71.85)を上回ったと報告されている。
Hard Negative Mining
Hard negativeにはfalse negative(実際にはpositiveだがnegativeとラベル付けされたサンプル)が混入するリスクがある。著者らはE5-mistral-7b-instructをteacherとし、positive scoreに基づくマージン閾値でfalse negativeを除去する。
\[\text{threshold} = s_{\text{pos}} \times \alpha\]ここで、
- $s_{\text{pos}}$: teacherモデルによるpositiveペアの類似度スコア
- $\alpha$: マージン係数(著者らは$\alpha = 0.95$、TopKPercPosと呼称)
negativeサンプルのスコアがこの閾値を超える場合、false negativeとして除外される。従来の固定閾値と異なり、各queryのpositiveスコアに応じて動的に閾値を設定できるため、false negativeの除去精度が向上すると著者らは報告している。
合成データ生成
Zenn記事「合成データ×Embedding Fine-tuningでセマンティック検索精度を定量改善する」で扱われるテーマと直結する技術として、NV-Embedでは合成データ生成をretrievalデータの拡充に活用している。Mixtral-8x22Bを用いて60,000タスクに対し3パターン(short-long、long-short、short-short)の合成ペアを生成し、計120,000例の合成データを作成している。
ablation結果(論文Table 4, Section 5.3.5)によれば、合成データの追加により、[S2](hard negatives + 追加データセット)のMTEB 72.07 / retrieval 62.28から[S3](+ 合成データ)のMTEB 72.31 / retrieval 62.65へと、特にretrievalスコアで+0.37ポイントの改善が報告されている。この結果は、合成データがretrievalタスクの学習において補完的な役割を果たすことを示唆している。
非Retrievalタスクのラベル戦略
Classification・clusteringの学習では、example-based approach(同一クラスの他の例をpositiveとして使用、16タスク平均69.27)がlabel-based approach(64.80)を大幅に上回ったと報告されている(論文Table 5より)。
実装のポイント(Implementation)
NV-Embedを実際に利用・再現する際の注意点を以下にまとめる。
ベースモデルの選択: NV-Embed-v2はMistral-7Bをベースモデルとして使用している。他のembeddingモデル(E5-mistral等)からの追加fine-tuningではなく、ベースLLMから直接訓練している点が特徴である。これにより、他のembeddingモデルへの依存を排除している。
Attention maskの切り替え: 推論時もbidirectional attentionを使用する必要がある。事前学習済みLLMのattention maskをcontrastive学習開始時に切り替える実装が必要であり、HuggingFace Transformersではattention_maskパラメータの制御で対応できる。
データリーケージの防止: 著者らは評価セットとのデータリーケージを防止するため、BM25閾値ベースのフィルタリングを適用している。学習データが評価ベンチマークと重複しないよう、類似度が閾値を超えるサンプルを除外する処理が不可欠である。
モデル圧縮: SparseGPTによる2:4 pruning + retrainingでMTEB 70.41、INT8量子化で性能劣化0.00%と報告されている(論文Table 6, 8より)。
Instruction template: retrievalではquery側にのみinstructionを付与し、document側には付与しない非対称設計が採用されている。
Production Deployment Guide
NV-Embed-v2(7Bパラメータ)を本番環境でembedding APIとしてデプロイする際のAWS構成パターンを示す。
AWS実装パターン(コスト最適化重視)
NV-Embed-v2は7Bパラメータのモデルであり、推論にはGPUが必要である。INT8量子化を適用した場合、約7GBのGPUメモリで動作する(論文Table 8よりINT8量子化時の性能劣化は0.00%と報告されている)。
| 構成 | トラフィック | サービス構成 | 月額概算 |
|---|---|---|---|
| Small | ~100 req/日 | SageMaker Serverless (ml.g5.xlarge) + DynamoDB | $80-150 |
| Medium | ~1,000 req/日 | ECS Fargate (GPU) + ElastiCache + S3 | $400-800 |
| Large | 10,000+ req/日 | EKS + Spot g5.xlarge + Karpenter | $2,500-5,000 |
注: 上記は2026年7月時点のAWS ap-northeast-1(東京)リージョンの概算値である。実際のコストはトラフィックパターン、バッチサイズ、キャッシュヒット率により変動する。最新料金はAWS料金計算ツールで確認されたい。
コスト削減テクニック:
- Spot Instances活用: g5.xlargeのSpot価格はオンデマンドの最大70-90%割引
- INT8量子化: 論文の結果に基づき性能劣化なしでメモリ使用量を半減
- バッチ推論: 複数リクエストをバッチ化しGPU利用率を向上
- 埋め込みキャッシュ: 同一テキストの再計算を回避(ElastiCache/DynamoDB)
Terraformインフラコード
Small構成(SageMaker Serverless):
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# NV-Embed-v2 Small構成: SageMaker + DynamoDB
# 月額概算: $80-150(~100 req/日)
resource "aws_sagemaker_model" "nv_embed" {
name = "nv-embed-v2-int8"
execution_role_arn = aws_iam_role.sagemaker.arn # 最小権限IAMロール
primary_container {
image = "763104351884.dkr.ecr.ap-northeast-1.amazonaws.com/huggingface-pytorch-inference:2.1-transformers4.36-gpu-py310-cu121-ubuntu22.04"
model_data_url = "s3://${aws_s3_bucket.model.bucket}/nv-embed-v2-int8/model.tar.gz"
environment = {
HF_MODEL_ID = "nvidia/NV-Embed-v2"
HF_TASK = "feature-extraction"
SM_NUM_GPUS = "1"
QUANTIZATION = "int8"
}
}
}
resource "aws_dynamodb_table" "embedding_cache" {
name = "nv-embed-cache"
billing_mode = "PAY_PER_REQUEST"
hash_key = "text_hash"
attribute {
name = "text_hash"
type = "S"
}
ttl {
attribute_name = "expires_at"
enabled = true
}
server_side_encryption {
enabled = true # KMS暗号化
}
}
# コスト監視アラーム
resource "aws_cloudwatch_metric_alarm" "cost_alert" {
alarm_name = "nv-embed-daily-cost"
comparison_operator = "GreaterThanThreshold"
evaluation_periods = 1
metric_name = "EstimatedCharges"
namespace = "AWS/Billing"
period = 86400
statistic = "Maximum"
threshold = 10 # $10/日超過で通知
alarm_actions = [aws_sns_topic.alerts.arn]
}
Large構成(EKS + Karpenter + Spot):
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# NV-Embed-v2 Large構成: EKS + Karpenter
# 月額概算: $2,500-5,000(10,000+ req/日)
module "eks" {
source = "terraform-aws-modules/eks/aws"
version = "~> 20.0"
cluster_name = "nv-embed-cluster"
cluster_version = "1.31"
vpc_id = module.vpc.vpc_id
subnet_ids = module.vpc.private_subnets
cluster_endpoint_public_access = false
cluster_endpoint_private_access = true
}
# Karpenter: Spot優先でGPUノード自動スケーリング
resource "kubectl_manifest" "karpenter_nodepool" {
yaml_body = yamlencode({
apiVersion = "karpenter.sh/v1"
kind = "NodePool"
metadata = { name = "gpu-spot" }
spec = {
template.spec = {
requirements = [
{ key = "karpenter.sh/capacity-type", operator = "In", values = ["spot", "on-demand"] },
{ key = "node.kubernetes.io/instance-type", operator = "In", values = ["g5.xlarge", "g5.2xlarge"] },
]
}
limits = { "nvidia.com/gpu" = "8" }
disruption = { consolidationPolicy = "WhenEmptyOrUnderutilized", consolidateAfter = "30s" }
}
})
}
resource "aws_budgets_budget" "monthly" {
name = "nv-embed-monthly"
budget_type = "COST"
limit_amount = "5000"
limit_unit = "USD"
time_unit = "MONTHLY"
notification {
comparison_operator = "GREATER_THAN"
threshold = 80
threshold_type = "PERCENTAGE"
notification_type = "ACTUAL"
subscriber_email_addresses = ["ops@example.com"]
}
}
運用・監視設定
CloudWatch Logs Insights クエリ: stats percentile(latency_ms, 95) as p95, percentile(latency_ms, 99) as p99 by bin(1h) でレイテンシ分析、stats count(*) by bin(1h) | filter req_count > 500 でリクエスト数異常検知を行う。
CloudWatch アラーム: SageMakerのModelLatencyメトリクスに対しP99レイテンシ500ms超過を3評価期間連続で検知した場合にSNS通知を送信する。put_metric_alarmでNamespace AWS/SageMaker、Dimension EndpointNameを指定する。
X-Ray トレーシング: aws_xray_sdkのpatch_all()でboto3を自動計装し、各推論リクエストにtext_lengthアノテーションとmodelメタデータを記録する。エンドポイントのinvoke_endpoint呼び出しが自動的にトレースされ、レイテンシボトルネックの特定に活用できる。
Cost Explorer自動レポート: Cost Explorer APIでGetCostAndUsageを日次実行し、SageMaker/EKS/DynamoDBのサービス別コストを抽出する。$100/日超過時にSNS通知を送信する設定を推奨する。
コスト最適化チェックリスト
アーキテクチャ選択:
- トラフィック量に応じた構成を選択(~100 req/日: Serverless、~1,000: Hybrid、10,000+: Container)
- GPU要件の確認(NV-Embed-v2はINT8量子化で約7GB VRAM)
リソース最適化:
- EC2/EKS: Spot Instances優先(g5.xlarge Spotで最大70-90%削減)
- Reserved Instances: 1年コミットで最大40%削減
- Savings Plans: Compute Savings Plansの検討
- SageMaker: Serverless Inferenceの自動スケーリング設定
- EKS: Karpenterによるアイドル時スケールダウン(consolidateAfter: 30s)
推論コスト削減:
- INT8量子化の適用(性能劣化なし、メモリ半減)
- バッチ推論の有効化(複数テキストを一括処理)
- 埋め込みキャッシュの導入(DynamoDB TTL付き)
- 2:4 semi-structured pruning検討(MTEB 70.41、retraining後)
監視・アラート:
- AWS Budgets: 月次予算上限の設定
- CloudWatch アラーム: レイテンシP99、エラーレート監視
- Cost Anomaly Detection: 異常コスト検知の有効化
- 日次コストレポート: Cost Explorer APIによる自動通知
リソース管理:
- 未使用エンドポイント・クラスタの定期削除
- タグ戦略:
project:nv-embed,env:prod/devの一貫適用 - S3モデルアーティファクト: ライフサイクルポリシーで旧バージョン自動削除
- 開発環境: 夜間・休日の自動停止スケジュール設定
- CloudTrail/AWS Config: 監査ログの有効化
実験結果(Results)
MTEB ベンチマーク
NV-Embed-v2のMTEB 56タスクでの結果を以下に示す(論文Table 1より)。
| カテゴリ | タスク数 | スコア | 指標 |
|---|---|---|---|
| Retrieval | 15 | 62.65 | nDCG@10 |
| Reranking | 4 | 60.65 | MAP |
| Clustering | 11 | 58.46 | V-Measure |
| Pair Classification | 3 | 88.67 | AP |
| Classification | 12 | 90.37 | Accuracy |
| Semantic Similarity | 10 | 84.31 | Spearman |
| Summarization | 1 | 30.70 | Spearman |
| Overall | 56 | 72.31 | Average |
主要モデルとの比較
論文Table 1に基づく主要モデルとの比較を示す。
| モデル | MTEB Overall | Retrieval | 差分 |
|---|---|---|---|
| NV-Embed-v2 | 72.31 | 62.65 | – |
| SFR-Embedding-2R | 70.31 | 60.18 | -2.00 / -2.47 |
| NV-Embed-v1 | 69.32 | 59.36 | -2.99 / -3.29 |
| voyage-large-2-instruct | 68.28 | – | -4.03 |
| GritLM | 66.76 | – | -5.55 |
| E5-mistral-7b | 66.63 | – | -5.68 |
| text-embed-3-large (OpenAI) | 64.59 | – | -7.72 |
Ablation: データ拡充の段階的効果
論文Table 4, Section 5.3.5で報告されている段階的なデータ拡充の効果を示す。
| 段階 | 構成 | MTEB | Retrieval |
|---|---|---|---|
| [S0] | Base(HNなし、追加データなし) | 70.73 | 59.22 |
| [S1] | + Hard negatives | 71.83 | 61.52 |
| [S2] | + 追加データセット | 72.07 | 62.28 |
| [S3] | + 合成データ | 72.31 | 62.65 |
[S0]から[S3]への全体の改善幅はMTEB +1.58、Retrieval +3.43であり、特にhard negatives([S1])の寄与が最も大きいことが確認できる。合成データ([S3])はRetrievalスコアへの寄与(+0.37)が相対的に高い。
実運用への応用(Practical Applications)
NV-Embedの技術は、Zenn記事で扱われている合成データを用いたembedding fine-tuningと密接に関連する。以下に実務での応用を整理する。
セマンティック検索の高精度化: NV-Embed-v2はRetrieval 15タスクでnDCG@10 62.65を達成しており、RAGパイプラインのretrieval段階での利用に適している。特にinstruction-tuningにより、queryに「検索して」「分類して」などのタスク指示を付与することで、同一モデルで多様なタスクに対応できる。
合成データの活用戦略: 論文の結果は、合成データがretrievalスコアを+0.37ポイント改善することを示している。ドメイン固有のデータが不足する場面で、LLMによる合成データ生成(short-long、long-short、short-shortの3パターン)が有効であることを裏付けている。
モデル圧縮によるコスト削減: INT8量子化で性能劣化なし、2:4 semi-structured pruningとretrainingでMTEB 70.41(-1.90)という結果は、7Bモデルのデプロイコストと性能のトレードオフを定量的に示している。レイテンシ要件が厳しい場合はpruning + 量子化の組み合わせが有効である。
スケーリング: INT8量子化により1 GPU(約7GB VRAM)で動作し、g5.xlargeインスタンス(24GB VRAM)でバッチ推論と組み合わせてスループットを向上できる。
関連研究(Related Work)
- E5-mistral-7b-instruct (Wang et al., 2024): Mistral-7Bベースのinstruction-tuned embeddingモデル。NV-Embedではteacherモデルとしてhard negative miningに使用されている。MTEB 66.63に対しNV-Embed-v2は+5.68ポイントの改善を達成
- GritLM (Muennighoff et al., 2024): embeddingと生成を統合したモデル。NV-Embedは埋め込み専用とすることで、Latent Attention Layerの導入など専用の最適化が可能となっている
- SFR-Embedding-2R (Meng et al., 2024): task-homogeneous batchingを採用したembeddingモデル。NV-Embedの2段階学習はこれと対照的に、Stage 2でタスクをブレンドしつつin-batch negativesの有無で制御するアプローチ
まとめと今後の展望
NV-Embedは、Latent Attention Layer、bidirectional attention、2段階instruction-tuning、positive-awareなhard negative miningの4つの技術を統合することで、MTEB 56タスクで総合スコア72.31を達成した。特にretrievalタスクでの62.65(nDCG@10)は、RAGパイプラインへの応用において実用的な性能水準である。
合成データの活用、hard negativeの品質管理、タスク間の勾配干渉の回避といった知見は、embeddingモデルのfine-tuning全般に適用可能である。INT8量子化やsemi-structured pruningによる圧縮結果も、本番デプロイ時のコスト最適化の指針となる。
今後の方向として、より大規模なLLMベースでの検証や多言語対応の強化が考えられる。
参考文献
- arXiv: https://arxiv.org/abs/2405.17428
- Model: https://huggingface.co/nvidia/NV-Embed-v2
- Related Zenn article: https://zenn.dev/0h_n0/articles/630a21dd0bdbcb