Titans + MIRAS：让AI拥有长期记忆能力

我们推出了Titans架构和MIRAS框架，这些技术能让AI模型在运行时更新核心记忆，从而实现更快的处理速度并处理大规模上下文内容。

Transformer架构通过引入注意力机制彻底改变了序列建模，该机制允许模型回顾早期输入以优先处理相关的输入数据。然而，计算成本随序列长度急剧增加，这限制了基于Transformer的模型扩展到极长上下文的能力，比如完整文档理解或基因组分析所需的上下文。

研究社区探索了各种解决方案，例如高效的线性循环神经网络（RNN）和状态空间模型（SSM），如Mamba-2。这些模型通过将上下文压缩到固定大小来提供快速的线性扩展。然而，这种固定大小的压缩无法充分捕获超长序列中的丰富信息。

在两篇新论文Titans和MIRAS中，我们介绍了一种架构和理论蓝图，它结合了RNN的速度和Transformer的准确性。Titans是具体的架构（工具），MIRAS是推广这些方法的理论框架（蓝图）。它们共同推进了测试时记忆化的概念，即AI模型在运行时通过融入更强大的"惊喜"指标（即意外信息片段）来维持长期记忆的能力，无需专门的离线重训练。

MIRAS框架以Titans为例，引入了向实时适应的重要转变。该架构不是将信息压缩到静态状态，而是在数据流入时主动学习和更新自身参数。这一关键机制使模型能够即时将新的具体细节纳入其核心知识。

有效的学习系统需要独特而相互连接的记忆模块

有效的学习系统需要独特而相互连接的记忆模块，这反映了人类大脑对短期和长期记忆的分离。

虽然注意力机制在精确的短期记忆方面表现出色，但Titans引入了一个新颖的神经长期记忆模块，与传统RNN中的固定大小向量或矩阵记忆不同，它作为一个深度神经网络（具体来说，是一个多层感知器）。这个记忆模块提供了显著更高的表达能力，允许模型在不丢失重要上下文的情况下总结大量信息。模型不仅仅是做笔记，而是理解和综合整个故事。

至关重要的是，Titans不只是被动地存储数据。它主动学习如何识别和保留连接整个输入中Token的重要关系和概念主题。这种能力的一个关键方面是我们称之为"惊喜指标"的东西。在人类心理学中，我们知道我们会快速且容易地忘记常规、预期的事件，但会记住打破模式的事情——意外的、令人惊讶的或高度情感化的事件。

在Titans的上下文中，"惊喜指标"是模型检测当前记忆的内容与新输入告诉它的内容之间的巨大差异。

模型使用这个内部错误信号（梯度）作为数学上等价于说"这是意外的和重要的！"这允许Titans架构仅用最新颖和打破上下文的信息选择性地更新其长期记忆，保持整个过程的快速和高效。

Titans通过融入两个关键元素来完善这一机制：

序列建模中的每一个重大突破——从现代Transformer到新的超高速线性RNN——本质上都是同一回事：一个高度复杂的联想记忆模块。

相应地，MIRAS的独特性和实用性在于它看待AI建模的方式。它不是看到多样化的架构，而是看到解决同一问题的不同方法：有效地将新信息与旧记忆结合，而不让基本概念被遗忘。

MIRAS通过四个关键设计选择定义序列模型：

几乎所有成功的现有序列模型都依赖均方误差（MSE）或点积相似性来实现其偏差和保留。这种依赖可能使模型对异常值敏感，并限制其表达能力。

MIRAS通过提供一个生成框架来超越这种限制，探索一个由优化和统计学文献指导的更丰富的设计空间。这允许创建具有非欧几里得目标和正则化的新颖架构。

使用MIRAS，我们创建了三个具体的无注意力模型：

我们严格比较了Titans以及MIRAS变体（YAAD、MONETA、MEMORA）与领先架构，包括Transformer++、Mamba-2和Gated DeltaNet。我们通过在基因组建模（DNA）和时间序列预测上测试Titans，进一步验证了其多功能性，证明该架构在文本之外有效地泛化。

在标准语言建模数据集（C4、WikiText）和零样本推理任务（HellaSwag、PIQA）中，我们的模型始终表现出更高的准确性和困惑度（衡量大语言模型在查看一段文本时的惊讶程度）。

消融研究清楚地表明，记忆架构的深度至关重要。当比较相同大小但不同深度的长期记忆模块时，具有更深记忆的模块在语言建模中始终实现更低的困惑度。此外，它们表现出更好的扩展特性，随着序列长度显著增加时保持性能。

在语言建模和常识推理任务中，Titans架构优于最先进的线性循环模型（如Mamba-2和Gated DeltaNet）和可比较大小的Transformer++基线。新颖的MIRAS变体（MONETA、YAAD、MEMORA）与这些基线相比也实现了改进的性能，验证了探索鲁棒的非MSE优化机制的益处。重要的是，这些模型保持了高效的可并行化训练和快速的线性推理速度。

这些新架构最显著的优势是它们处理超长上下文的能力。这在BABILong基准测试中得到了突出体现，该任务需要对分布在超长文档中的事实进行推理。在这种具有挑战性的设置中，Titans优于所有基线，包括像GPT-4这样的超大型模型，尽管参数要少得多。Titans进一步证明了有效扩展到超过200万Token的上下文窗口大小的能力。

Titans和MIRAS框架的引入标志着序列建模的重大进步。通过采用深度神经网络作为学会在数据流入时记忆的记忆模块，这些方法克服了固定大小循环状态的限制。此外，MIRAS提供了强大的理论统一，揭示了在线优化、联想记忆和架构设计之间的联系。通过超越标准的欧几里得范式，这项研究为新一代序列模型打开了大门，这些模型结合了RNN的效率和长上下文AI时代所需的表达能力。

Q&A

Q1：Titans是什么，它有什么特别的能力？

A：Titans是一种新型AI架构，能够在运行时更新核心记忆，实现更快的处理速度并处理大规模上下文内容。它的特别能力是结合了RNN的速度和Transformer的准确性，可以有效处理超长上下文，例如完整文档理解或基因组分析。

Q2：什么是"惊喜指标"，它在Titans中如何工作？

A："惊喜指标"是Titans检测当前记忆内容与新输入信息之间巨大差异的机制。类似人类容易忘记常规事件但记住意外事件的特点，Titans使用这个内部错误信号来识别"意外且重要"的信息，只用最新颖和打破上下文的信息来更新长期记忆。

Q3：Titans相比传统模型有什么优势？

A：Titans最显著的优势是处理超长上下文的能力。在BABILong基准测试中，Titans优于所有基线，包括GPT-4等超大型模型，尽管参数更少。它能有效扩展到超过200万Token的上下文窗口，同时保持高效的可并行化训练和快速的线性推理速度。