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DeepSeek改造何恺明残差连接!梁文峰亲自署名,十年首次重大升级

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来源:市场资讯

  来源:量子位 | 公众号 QbitAI

  2026年新年第一天,DeepSeek上传新论文。

  给何恺明2016成名作ResNet中提出的深度学习基础组件“残差连接”来了一场新时代的升级。

  DeepSeek梁文峰亲自署名论文,共同一作为Zhenda Xie , Yixuan Wei, Huanqi Cao。

  残差连接十年未变,扩展之后却带来隐患

  残差连接自2016年ResNet问世以来,一直是深度学习架构的基石。

  其核心机制简洁明了,x+1 = x + F (x ,W),即下一层的输出等于当前层输入加上残差函数的输出。

  这个设计之所以成功,关键在于“恒等映射”属性,信号可以从浅层直接传递到深层,不经任何修改。

  随着Transformer架构的崛起,这一范式已成为GPT、LLaMA等大语言模型的标准配置。

  这个设计之所以成功,关键在于“恒等映射”属性,信号可以从浅层直接传递到深层,不经任何修改。

  近期出现的Hyper-Connections(HC)试图打破这一格局。HC将残差流的宽度从C维扩展到n×C维,并引入三个可学习的映射矩阵来管理信息流动。

  DeepSeek团队的实验表明,在这三个映射中,负责残差流内部信息交换的Hres矩阵贡献了最显著的性能提升。

  但问题随之而来,当HC扩展到多层时,复合映射不再保持恒等性质。

  论文中展示的27B模型训练曲线显示,HC在约12000步时出现了突发的损失激增,梯度范数也表现出剧烈波动。

  研究团队计算了复合映射对信号的放大倍数:在HC中,这个值的峰值达到了3000,意味着信号在层间传播时可能被放大数千倍,或者相应地被衰减至近乎消失。

  双随机矩阵的三重保障

  DeepSeek论文的核心思路是将残差映射矩阵约束到一个特定的流形上,一个由双随机矩阵构成的Birkhoff多面体。

  双随机矩阵的每一行和每一列之和都等于1,所有元素非负。这种约束带来了三个关键的理论性质。

  第一是范数保持:双随机矩阵的谱范数不超过1,这意味着信号在经过映射后不会被放大,有效防止了梯度爆炸。

  第二是组合封闭:多个双随机矩阵相乘的结果仍然是双随机矩阵,因此无论网络多深,跨层的复合映射都能保持稳定性。

  第三是几何解释:Birkhoff多面体是所有排列矩阵的凸包,残差映射实际上是在对特征做凸组合,相当于一种稳健的特征融合机制。

  为了将任意矩阵投影到这个流形上,论文采用了Sinkhorn-Knopp算法。该算法先对矩阵取指数使所有元素为正,然后交替对行和列进行归一化,迭代收敛到双随机矩阵。

  实验数据显示,这个近似解已经足够有效:在27B模型中,mHC的复合映射信号增益最大值约为1.6,与HC的3000形成了三个数量级的差距。

  工程优化:从内核融合到流水线重叠

  接下来进入DeepSeek的拿手好戏,工程优化环节。

  扩展残差流宽度必然带来额外的内存访问开销,论文详细分析了每个token的内存读写成本:

  标准残差连接需要读取2C个元素、写入C个元素,而HC需要读取(5n+1)C + n² + 2n个元素、写入(3n+1)C + n² + 2n个元素。

  当扩展率n=4时,这是一个相当可观的增量。

  团队为此开发了一系列基础设施优化,他们使用TileLang框架实现了多个融合内核,将原本分散的操作合并执行以减少内存访问次数。

  针对Sinkhorn-Knopp算法,他们设计了专门的前向和反向内核,在芯片上重新计算中间结果以避免存储开销。

  在流水线并行方面,他们扩展了DualPipe调度策略,通过将MLP层的特定内核放在高优先级计算流上执行,实现了计算与通信的重叠。

  论文还给出了重计算策略的优化公式。对于L层的网络,最优的重计算块大小约为:

  这个值通常与流水线阶段的层数相当,因此研究者选择将重计算边界与流水线阶段边界对齐。

  实验验证:稳定性与性能兼得

  论文在3B、9B和27B三个规模的MoE模型上进行了验证,扩展率n设为4。

  在27B参数的MoE模型上,mHC展现出稳定的训练曲线,最终损失相比基线降低了0.021,同时保持了与baseline相当的梯度范数稳定性。

  在下游任务评测中,mHC在BBH推理任务上比HC提升2.1%,在DROP阅读理解任务上提升2.3%。mHC在大多数任务上不仅超过基线,还超过了HC。

  计算缩放曲线显示,mHC的性能优势在更高计算预算下仍然保持,仅出现轻微衰减。对3B模型的token缩放曲线分析表明,mHC的优势贯穿整个训练过程。

  论文提到,内部的大规模训练实验进一步证实了这些结论,且当扩展率n=4时,mHC仅引入6.7%的额外时间开销。

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