微信、清华提出CALM，新范式实现「离散词元」到「连续向量」转变

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（来源：机器之心Pro）

众所周知，大型语言模型（LLM）的根本运作方式是预测下一个 token（词元），能够保证生成的连贯性和逻辑性，但这既是 LLM 强大能力的「灵魂」所在，也是其枷锁，将导致高昂的计算成本和响应延迟。

可以说，业界「苦」LLM 效率久矣，为了解决这一瓶颈，研究人员进行了多种尝试。

其实从根本上分析，大型语言模型（LLM）的效率是受限于其逐个词元生成的顺序过程。那如果 LLM 预测的不再是「下一个词元」，而是「若干个词元」的话，是不是会带来不一样的效果？

为此，腾讯微信 AI 联合清华大学在新发布论文中提出了一种新方法 ——连续自回归语言模型（CALM），模型不再预测下一个词元，而是预测下一个连续向量。

具体来看，CALM 使用高保真自编码器将 K 个词元压缩成一个连续向量，并能以超过 99.9% 的准确率从中重构原始词元，将语言建模为一系列连续向量，而非离散词元，从而将生成步骤的数量减少了 K 倍。

从效果上来看，这种方法显著改善性能与计算成本之间的权衡，在更低的计算成本下，性能可以与强大的离散基线模型相媲美。更重要的是，这是一种新的范式，为构建超高效语言模型提供了一种强大且可扩展的途径。

而论文一经发布，就引起了业界热议。

有网友认为，「这可能是人工智能领域的下一个重大范式转变」「如果这种模型能够大规模应用，那么现有的所有语言模型都将过时。」

离散词元：LLM 的效率瓶颈

大语言模型（LLMs）的成功与其高昂的计算成本相伴相生。作者认为，其效率问题的根源，在于当前所有模型都遵循的一个基础范式：在离散的词元（token）序列上进行自回归预测。问题的关键并非自回归机制本身，而在于离散词元的内在局限性。这一局限性体现在两个层面：

这揭示了一个根本性的矛盾：模型强大的表征能力，与预测任务的过细粒度之间，形成了「强模型、弱任务」的不匹配。我们拥有了参数规模巨大的模型，其能力却被束缚在一个低效、冗余的生成框架之中。

CALM：从离散词元到连续向量

CALM 的核心思想是将语言建模的基础任务从预测离散的词元，转向预测连续的向量。这一范式转移的可行性基于一个高保真度的自编码器（Autoencoder）。它能将一个由 K 个词元组成的文本块压缩为一个稠密的连续向量，并能以超过 99.9% 的准确率从该向量中重建原始词元。

因此，语言模型只需预测代表下一个文本块的连续向量，即可通过自编码器还原回 K 个词元，从而将自回归生成的总步数减少为原来的 1/K。

然而，从离散到连续的转变，也让一些传统方法失效，带来了一系列技术挑战：

围绕这些挑战，作者建立了一套完整的无似然技术体系，使 CALM 这一新范式得以实现。

自编码器

实现 CALM 框架的基础，是构建一个高保真度的自编码器，用以建立离散词元与连续向量之间的双向映射。它由两部分组成：

这一过程的可行性在于，理论上一个浮点数向量的信息容量远超离散词元。在实践中，作者尝试将 K=4 个词元压缩为向量，仅需 10 个维度便可实现超过 99.9% 的重建准确率。

考虑到，在 CALM 的实际生成流程中，解码器所接收的向量并非来自编码器的「真值」，而是由语言模型预测出的结果。任何生成模型的预测都必然存在误差。如果自编码器只考虑重建，它会学到一个极其「脆弱」的映射，导致微小的预测误差被灾难性地放大，解码出完全无关的文本。

因此，向量表示必须具备鲁棒性（robustness），能够容忍来自预测结果的合理误差。

为实现这一目标，作者的核心策略是将确定性段自编码器升级为变分式的 VAE，使其学习将词元块映射为一个高斯分布，从而平滑向量空间。同时，作者在向量空间上引入 Dropout，迫使自编码器学习一种冗余的、抗干扰的向量表示。

综合这些技术，作者最终构建的自编码器能将 K=4 的词元块映射到一个 128 维的向量中。它能承受标准差约 σ≈0.3 的高斯噪声，同时依然保持超过 99.9% 的重建准确率。

模型训练

通过自编码器，原始的离散词元序列被转换为一个更紧凑的连续向量序列。因此，语言建模的目标也从预测下一个词元，演变为预测这个新序列中的下一个向量：

从离散到连续的转变，带来了一个生成建模上的挑战。标准语言模型依赖 softmax 层计算有限词表上的概率，但这在无限的连续空间中无法实现。

效率是此处的关键。如果取 Diffusion、flow matching 这类模型作为生成头，将需要进行多步迭代生成来预测向量，会抵消 CALM 在减少生成步数上的优势。

因此，生成头最好能具备高质量、单步生成的能力。为此，作者采用了一个基于能量分数（Energy Score）的训练目标。能量分数不依赖于概率密度，而是通过样本间的距离来评估生成分布的质量。对于模型预测的分布 P 和观测到的真值 y，其能量分数为：

该指标巧妙地平衡了两个目标：第一项驱动多样性，鼓励模型生成不同的样本，防止模式坍塌；第二项驱动准确性，使生成结果逼近真实数据。

从统计学角度，能量分数是一种严格准确的评分规则（strictly proper scoring rule），理论上保证了最大化该分数等同于让模型学习真实的数据分布。在实践中，作者通过蒙特卡洛采样来估计能量分数，并将其作为损失函数来训练模型。

在模型结构上，为了使生成头能够产出多样的样本，其预测同时取决于两个输入：来自 Transformer 的确定性隐藏状态（提供上下文），以及一个额外的随机噪声向量（提供随机性）。通过在生成时采样不同的噪声，模型便能从同一个上下文中生成符合条件分布的、多样的输出向量。

性能评估

由于 CALM 框架无法计算显式概率，传统的困惑度（Perplexity）指标不再适用。因此，我们还需要一个无似然（likelihood-free）的评估方法。

作者引入了经典的Brier Score作为解决方案，这一指标最早由气象学家 Glenn W. Brier 在 1950 年提出，用来评估天气预报的准确性，目前已成为评估概率预测校准度（calibration）的标准工具之一。其定义为：

与困惑度类似，Brier 分数的设计使其仅在模型准确拟合数据分布时才能达到最优，这一点可以从其期望值的分解中看出：

尽管 Brier 分数的仍由概率定义，但作者指出，它可以通过蒙特卡洛方法进行无偏估计，且仅需从模型中采样两个样本：

为了构建一个全面的评估指标，作者将 Brier 分数从单个词元扩展到 n-gram，并最终定义了BrierLM，即 n=1 至 4 的 Brier-n 分数的几何平均值。BrierLM 是一个通用的评估指标，同样适用于传统语言模型。

通过在标准 Transformer 模型上进行验证，作者发现BrierLM 与交叉熵损失几乎线性相关（Pearson 相关系数为 - 0.966），表明 BrierLM 可以作为困惑度在无似然场景下的有效替代。

可控生成

最后一个挑战是实现给定温度下的可控生成。传统方法通过调整 logits 来调整输出的概率分布，但对于像 CALM 这样只给出采样器而不提供 logits 的无似然模型，此路不通。

对于更一般的温度 T，作者借鉴伯努利工厂（Bernoulli Factory）理论，将此思想推广为一个通用的拒绝采样算法。

然而，纯粹的拒绝采样算法可能因极高的拒绝率而变得低效。为此，作者进一步提出了一种高效的批处理近似（batch approximation）算法。该算法一次性从模型中采样大量的样本，然后以组合的方式在批内寻找符合条件的重复样本。这种方法极大地提升了样本的利用率。作者证明了该近似算法是渐进无偏的，即随着批处理大小的增加，其输出的样本分布会收敛于精确的目标分布。

实验效果

实验结果显示，CALM 能够建立一个更优的性能 - 计算前沿：例如，一个 371M 参数的 CALM-M 模型，其性能与 281M 的 Transformer 基线相当，但所需的训练 FLOPs 减少了 44%，推理 FLOPs 减少了 34%。这证明 CALM 通过牺牲少量同规模下的性能，换取了显著的计算效率提升，从而能在有限的计算预算下达到更高的性能水平。

实验进一步验证了语义带宽 K 作为一个全新 scale 维度的有效性。作者探究了不同 K 值对模型性能 - 计算权衡的影响。结果显示，随着 K 从 1 增加到 4，模型的计算成本几乎成比例下降，而性能仅有轻微的回落。

这证明了通过提升单步生成的语义密度，是优化语言模型效率的一条高效路径。值得注意的是，当 K=1 时，CALM 的性能落后于其离散基线，这表明 CALM 的架构设计仍有未来优化的空间。

为了验证生成头的设计选择，作者对比了三种连续生成方案：本文使用的能量分数、扩散模型（Diffusion）与流匹配模型（Flow Matching）。实验表明：

结语

作者也指出了该框架未来的多个关键研究方向：首先，作为框架基石的自编码器可以被设计得更懂「语义」，而不仅是关注重建；核心生成模型也可以探索更强大的端到端架构与训练目标；在采样层面，需要研究更轻量高效的算法以降低推理开销。

更宏观地，一个重要的方向是建立包含语义带宽 K 的全新缩放定律。

最后，从离散到连续的范式转移，也要求学术界重新改造现有的算法生态，例如如何将强化学习、知识蒸馏等技术适配到这个无似然的框架中。