Adam的稳+Muon的快？华为诺亚开源ROOT破解大模型训练的两难困境

机器之心报道

编辑：冷猫、Panda

在 LLM 优化领域，有两个响亮的名字：Adam（及其变体 AdamW）和 Muon。

它们一个是久经沙场的「守门员」，凭借动量和自适应学习率统治了深度学习的半壁江山，却在面对十亿级参数的混合精度训练时，常常因数值不稳定性而显得力不从心；一个是横空出世的「破局者」，试图通过将权重矩阵视为整体来重塑训练几何，却因为一刀切（one-size-fits-all approach）的系数设计和对异常值噪声的极度敏感，在鲁棒性上留下了缺口。

当训练规模不断指数级膨胀，我们是否只能在 Adam 的「稳」与 Muon 的「快」之间做单选题？

华为诺亚方舟实验室的最新力作ROOT (Robust Orthogonalized OpTimizer)给出了否定的答案。

作为一款直击痛点的鲁棒正交化优化器，ROOT 不仅精准修复了 Muon 在不同矩阵维度上的「精度近视」，更通过巧妙的软阈值机制为梯度噪声装上了「减震器」。它正试图用更快的收敛速度和更强的稳定性，为大模型训练建立一套全新的、兼顾精确与稳健的优化范式。

• 论文标题：ROOT: Robust Orthogonalized Optimizer for Neural Network Training
• 论文地址：https://arxiv.org/abs/2511.20626
• 开源地址：https://github.com/huawei-noah/noah-research/tree/master/ROOT
• 作者：Wei He, Kai Han, Hang Zhou, Hanting Chen, Zhicheng Liu, Xinghao Chen, Yunhe Wang
• 机构：华为诺亚方舟实验室

LLM 优化史：从 SGD 到 ROOT

要理解这项工作的重要性，我们需要先了解优化器（Optimizer）在 LLM 训练过程中至关重要的地位。

简单打个比方：在深度学习的浩瀚宇宙中，优化器扮演着飞船「引擎」的角色。

其中，最早的优化器是 SGD（Stochastic Gradient Descent），即随机梯度下降。作为深度学习的基石，它确立了神经网络训练的基本范式：通过计算小批量数据的梯度来迭代更新参数。

SGD 是最经典的一阶优化方法。然而，在面对高维且复杂的损失函数曲面（Loss Landscapes）时，原始的 SGD 往往难以兼顾收敛速度与稳定性。为了帮助模型更高效地穿越复杂的「山谷」找到极小值，研究者们在 SGD 的基础上引入了动量机制，这不仅成为了 SGD 的标准配置，也为后来更复杂的自适应方法奠定了基础。

后来，以 Adam 和 AdamW 为代表的自适应方法崛起，成为训练深度学习模型的「事实标准」。

它们通过引入动量和逐参数（Per-parameter）的自适应学习率，让收敛效率大幅超越 SGD。然而，这类方法的底层逻辑是将模型参数视为独立的「标量」或向量进行更新。当模型参数量突破十亿大关，这种忽略参数矩阵内部结构相关性的处理方式，在混合精度训练中逐渐暴露出了数值不稳定的缺点。

为了突破这一瓶颈，以 Muon 为代表的矩阵感知型优化器应运而生。

Muon 不再仅仅盯着单个参数，而是将权重矩阵视为一个整体。它利用 Newton-Schulz 迭代对动量矩阵进行正交化处理，从而在不增加额外计算复杂度（保持 O (N)）的前提下，规范了更新的几何结构。

这种方法在理论上等同于在谱范数下进行最速下降，显著提升了训练效率和显存利用率。

尽管 Muon 开启了新的一页，但研究人员发现它并非完美无缺。

华为诺亚方舟实验室的分析指出，现有的正交化优化器存在两个核心局限：

• 算法鲁棒性的缺失： 现有的 Newton-Schulz 迭代通常使用一组固定的系数。然而，神经网络不同层的权重矩阵形状各异（从正方形到极度扁平的矩形），固定系数在某些维度下会导致近似误差激增，产生「维度脆弱性」。
• 对梯度噪声的缺乏防御：在大规模训练中，异常数据往往会产生极大幅度的梯度噪声。现有的自适应优化器对这些噪声异常敏感，不仅会破坏更新方向，还可能导致训练彻底失稳。

随机梯度中异常值噪声的概念可视化。大多数梯度值集中在中心附近，存在一个高幅度异常值的尾部。这些异常值会不成比例地影响优化过程。

正是在这种既要「矩阵感知的快」又要「传统方法的稳」的博弈中，ROOT 应运而生，试图填补这一关键的拼图空缺。

ROOT 优化器：双管齐下

前文我们已经介绍过，现有的正交化优化器（尤其是 Muon）存在的核心缺陷。

ROOT（Robust Orthogonalized OpTimizer）的核心方法，是为正交化优化器做出了针对性的鲁棒性增强，让优化器在快速稳定「两手抓」。

拒绝「一刀切」

正交化优化器的算法不稳定，核心问题源于正交化系数的「一刀切」。

具体来说，Muon 里 Newton-Schulz 迭代的系数 a、b、c 是固定常数。华为诺亚方舟的研究者们发现，这会引发不同维度矩阵的脆弱性。

正交化误差揭示了固定系数 Newton-Schulz 迭代在维度上的脆弱性。

从上表中的数据能看出，矩阵形状（维度或长宽比）一变，正交化误差会大幅波动。尤其是方阵更吃亏，方阵始终产生最高的 MSE 值，比非方阵配置有显著的差距。

这种维度敏感性在优化过程中造成了固有的脆弱性，因为不同维度的层获得的正交化质量完全不同，损害了梯度更新的一致性和可靠性。

为了解决这种维度脆弱性并构建维度鲁棒的正交化过程，研究者们提出了具有细粒度、特定维度系数的自适应 Newton-Schulz 迭代（AdaNewton）

然而，系数针对每个矩阵维度的特定奇异值分布进行了优化。这种方法为提高正交化精度提供了理论保证。

这些系数可以在训练期间与模型参数联合优化，允许正交化过程自动适应每种层类型的属性。这种细粒度的适应代表了一种范式转变：从脆弱的维度敏感正交化转向鲁棒的维度不变正交化，确保了整个网络的更新质量一致。

过滤「异常值」

大模型训练的梯度常出现「重尾现象」：小批量梯度经常被异常值噪声污染，这些噪声包含幅度异常大的梯度分量，这些异常值严重影响到了 Muon 中正交化过程的稳定性。

更糟的是，Newton-Schulz 迭代的多项式性质会放大离群噪声，造成不稳定，甚至可能引发 Transformer 的 attention logits 爆炸的严重问题。

为了解决这一问题，华为诺亚方舟的研究者们的做法很直接干脆：把梯度 Mₜ 分解为「正常部分」和「异常部分」两个分量：

• 基础分量Bₜ：包含表现良好的梯度信息。
• 异常分量Oₜ：代表异常的大幅度元素。

正交化仅应用于鲁棒分量 Bₜ，而丢弃异常值分量 Oₜ

这个函数如果值的幅度高于阈值 ε，则提取超出范围的异常值。

在数学上，软阈值可以被解释为硬裁剪（hard clipping）的一种连续、可微的替代方案。软阈值应用了一种平滑的收缩操作，在抑制极端值的同时保留了梯度幅度的相对排序。

完整的 ROOT 优化器算法

ROOT 的实验表现：真的又稳又快

为了验证 ROOT 是不是真的快速又稳定，华为诺亚方舟实验室训练了一个 1B Transformer 模型。他们的测试非常严苛，涵盖了从预训练 Loss 到下游任务的多项基准，甚至跨越到了视觉任务领域。值得注意的是：「所有模型都是在昇腾 NPU 分布式集群上训练的。」

而最终得到的结果也非常亮眼，证明了 ROOT 优化过程的表现极具竞争力。

首先，在预训练效率上，ROOT 展现了卓越的收敛能力

使用 10B Token 的训练损失对比

如上图所示，在 10B token 的大规模预训练实验中，两个 ROOT 变体（仅软阈值版与完整版）的训练损失均始终保持在 Muon 的 Loss 曲线下方。最终，ROOT 的训练损失达到 2.5407，比 Muon 基线低 0.01。

而更深入分析显示，Muon 由于采用固定系数，在训练过程中存在较大的近似误差；而 ROOT 凭借自适应系数，始终保持着更接近真实 SVD 的正交化精度 。

相对于真实 SVD 的正交化精度

在多项下游任务基准上，ROOT 也带来了全面的提升：ROOT 取得了 60.12 的平均分，不仅击败了传统霸主 AdamW（59.05），也超越了其直接竞争对手 Muon（59.59）。

在 9 个标准 LLM 基准上的零样本性能，其中 ROOT 在 6 个基准上领先

同时也能看出 ROOT 具有广泛适用性：无论是在考察常识推理的 PIQA，还是考察科学知识的 SciQ，ROOT 都展现出了极具竞争力的性能。

不仅如此，ROOT 还表现出了非常出色的跨模态泛化能力：在计算机视觉领域（训练 ViT 模型识别 CIFAR-10 数据集）的测试中，ROOT 同样证明了其强大的泛化能力

在 CIFAR-10 上的 Top-1 测试准确度

特别是在引入软阈值机制后，ROOT 能够有效抑制视觉数据中的梯度噪声，取得了 88.44% 的 Top-1 准确率，显著优于 Muon 的 84.67% 。这表明ROOT 的「去噪+正交化」范式具有极强的跨领域普适性

该团队也进行了消融实验，证明了 ROOT 各组件的有效性。

ROOT 或将开启新的优化器时代

在 LLM 训练日益昂贵且复杂的今天，华为诺亚方舟实验室提出的 ROOT 优化器，通过AdaNewton软阈值去噪两大创新，成功在 Muon 的高效基础上补齐了鲁棒性这块短板 。

ROOT 不仅在理论上保证了不同维度矩阵更新的一致性，更在实战中证明了其在抗噪、收敛速度和最终性能上的全面优越性。

ROOT 的代码将会开源，随着更多研究者将其投入到更大规模的万亿级模型训练中，我们有理由相信，它很有可能会开启一个新的优化器时代。

正如这篇论文的结语所言：「这项工作为开发鲁棒的优化框架开辟了有前景的方向，这些框架能够处理未来语言模型日益增加的复杂性和规模，从而可能实现下一代 AI 系统更可靠、更高效的训练。」

凭借此一贡献，华为诺亚方舟实验室展示了其「深潜」的创新特质，秉持理论研究与应用创新并重的理念，致力于推动人工智能领域的技术创新和发展：不随波逐流于表层的应用创新，而是潜入深海，解决最基础、最困难、但影响最深远的优化理论问题。这不仅展示了其强大的科研硬实力，更体现了其作为行业领军者，致力于构建更高效、更鲁棒的下一代 AI 训练范式的战略远见。

团队简介

本文有两位共一作者，他们都是华为诺亚方舟实验室研究员。据公开资料显示，其中韩凯（Kai Han）现为华为诺亚方舟实验室专家研究员，博士毕业于中国科学院软件所，硕士和本科分别毕业于北京大学和浙江大学。其主要研究方向为高效深度学习和 AI 基础模型，已在 AI 领域顶会顶刊发表论文 50 余篇，谷歌学术累计被引 2.1 万余次，其中 GhostNet 和 TNT 入围 PaperDigest 年度最具影响力论文榜单。他还担任 NeurIPS、ICML、ICLR、CVPR、ICCV、AAAI 和 ACMMM 等顶会领域主席，入围斯坦福全球 Top 2% 科学家和爱思唯尔中国高被引学者榜单。

另外，今年 3 月接任华为诺亚方舟实验室主任的王云鹤也是本文的通讯作者。

关于该方法更多信息，请参阅原论文。