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梁文锋署名新论文,DeepSeek V4架构首曝?直击Transformer致命缺陷

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新智元报道

编辑:编辑部

【新智元导读】深夜,梁文锋署名的DeepSeek新论文又来了。这一次,他们提出全新的Engram模块,解决了Transformer的记忆难题,让模型容量不再靠堆参数!

刚刚 ,DeepSeek新论文发布了,梁文锋署名!

这一次,他们联手北大直接瞄准了「记忆」,是Transformer最致命的关键难题。

如今,MoE成为大模型主流架构,但本质仍是Transformer,因其缺少原生「知识查找」机制,很多检索能力被迫用大量计算去模拟。

33页论文中,团队提出了 MoE 互补的「条件记忆」稀疏轴,并通过一种全新的Engram模块去实现:

将经典哈希N-gram嵌入现代化,提供近似O(1)的确定性知识查找。

论文地址:https://github.com/deepseek-ai/Engram/blob/main/Engram_paper.pdf

通过「稀疏分配」(Sparsity Allocation)建模,他们意外发现MoE与Engram之间,存在「U形scaling law」。

这意味着,需调整两者之间资源比例,让计算与静态记忆间找到最优权衡。

沿着这个规律,将Engram扩展到27B参数后,并在严格等参数、等FLOPs下优于MoE基线。

直白讲,MoE只解决「怎么少算」,Engram直接解决「别瞎算」。

它把该查的交给 O(1)记忆,把注意力从局部琐碎中解救出来,结果不只是更会背知识,同时推理、代码、数学一起变强。

这可能成为稀疏LLM下一条主流路线,更重要的是,下一代V4或将集成这一新方法。

不再苦算,给Transfomer插入「电子脑」

当前,LLM越做越大已成为「铁律」,一条熟悉的路径是——

把参数做大,把计算做「稀疏」。

混合专家模型(MoE)就是典型代表,每个token只需激活少量专家,用「条件计算」让参数规模飙升,FLOPs还能控住。

从Artifical Analysis榜单中可以看出,现有的稀疏大模型,主流都是MoE。

但问题在于,Transformer缺少一种「原生的知识查找」能力,所以很多本该像检索一样 O(1)解决的事,被迫用一堆计算去「模拟检索」,效率很不划算。

北大和DeepSeek新论文带来一个很有意思的观点:稀疏化不只服务「计算」,也可以服务「记忆」。

由此,团队提出了Engram,把语言建模中大量「固定、局部、刻板」的模式,交给一个可扩展的查表模块去承担。

这样一来,可以让Transformer主干把注意力和深度用在更需要「组合与推理」的地方。

语言建模,两类任务

论文中,作者明确将语言建模拆成两类子任务:

  • 一部分任务需「组合与推理」:上下文关系、长程依赖、逻辑推理、链式推理。

  • 另一部分任务更像「模式检索」:实体名、固定搭配、常见短语、语法片段、重复出现的局部结构

后者的一个共同点很明显,即它们往往局部、稳定、重复出现。

若是用多层注意力和FFN去「算」他们,模型做得到,但成本极高,还会挤占早期层的表达空间。

为了识别实体「戴安娜,威尔士王妃」(Diana,Princess of Wales),LLM必须消耗多层注意力和FFN来逐步组合特征,这个过程理论上是可以通过一次知识查找操作来完成的。

而Engram想做的事情很直接——

把这类「局部静态模式」转移到一个廉价的知识查找原语。

它用确定性的查表快速给出候选信息,再由上下文决定是否采纳。

Engram核心架构:暴力查表+记忆开关

Engram一词源于神经学,本意为「记忆痕迹」,是一种可扩展、可检索的记忆单元。

它可以用于存储LLM在推理过程中,可能已接触过的模式、信息片段。

可以将Engram理解为,把经典「哈希N-gram嵌入」现代化,做成插在Transformer中间层的一个「可扩展查表模块」。

如图1所示,Engram是一个条件记忆模块,旨在通过从结构上将静态模式存储与动态计算分离开来,从而增强Transformer骨干网络。

形式化地说,给定输入序列X=(x_1,...,x_T)和第l层的隐藏状态H^(l)∈R^Txd,该模块分两个功能阶段来处理每个位置t:检索和融合。

接下来,一起看看Engram的关键设计点。

基于哈希N-gram的稀疏检索

第一阶段主要负责将局部上下文映射到静态的记忆条目中,这通过分词器压缩(tokenizer compression)和确定性哈希检索嵌入来实现。

分词器压缩

为了最大化语义密度,作者引入了一个词表投影层。

他们预先计算了一个满射函数P:V→V',利用归一化的文本等价性(比如NFKC、小写化等手段)将原始Token ID坍缩成规范标识符。

这个过程能让128k大小的分词器有效词表大小减少23%。

多头哈希

要想直接参数化所有可能的N-grams组合空间,计算上是行不通的。作者采用了一种基于哈希的方法。

为了减少冲突,给每个N-gram阶数n分配了K个不同的哈希头。

每个头k通过一个确定性函数φ_n,k,将压缩后的上下文映射到嵌入表E_n,k中的一个索引:

上下文感知门控

检索到的嵌入e_t充当的是上下文无关的先验信息。不过,它们容易受到哈希冲突或多义词带来的噪声干扰。

为了增强表达力并解决这种歧义,作者采用了一套受注意力机制启发的上下文感知门控机制。

他们利用当前的隐藏状态h_t作为动态的Query,而检索到的记忆e_t则作为Key和Value投影的来源:

其中W_K,W_V是可学习的投影矩阵。

为了保证梯度稳定性,他们在计算标量门α_t∈(0,1)之前,先对Query和Key进行RMSNorm处理:

最后,为了扩大感受野并增强模型的非线性,作者还引入了一个短的深度因果卷积:

门控可视化

为了实证验Engram是否按预期行为,作者在图7中可视化了Engram-27B在各种样本上的门控标量α_t。

结果展示了,明显的选择性模式。门控机制在完成局部、静态模式时一致地激活(显示为红色)。

在英文中,观察到在多Token命名实体(如Alexander the Great、the Milky Way)和固定短语(如By the way,Princess of Wales)上有强烈的激活。

关键是,这种行为有效地跨语言泛化。

在中文demo中,Engram识别并检索独特的习语表达和历史实体,比如「四大发明」和「张仲景」。

这些定性结果证实,Engram成功识别并处理了固定的语言依赖关系,有效地将Transformer骨干网络从记忆这些静态关联中解放出来。

系统效率:计算与存储解耦

扩展记忆增强型模型往往受限于GPU高带宽内存(HBM)的容量。

然而,Engram的确定性检索机制天生就支持将参数存储与计算资源解耦。

与依赖运行时隐藏状态进行动态路由的混合专家模型(MoE)不同,Engram的检索索引仅取决于输入的Token序列。

这种可预测性为训练和推理提供了专门的优化策略,如图2所示。

训练阶段,为了容纳大规模嵌入表,他们采用标准的模型并行策略,将表分片存储在可用的GPU上。

推理阶段,这种确定性特性使得「预取和重叠」策略成为可能。

U型Scaling Law,揭秘最优分配比

Engram作为条件记忆的一种实现形式,在结构上与MoE专家提供的条件计算是互补的。

这里,主要研究了以下两个关键问题:

1. 有限约束下的分配

2. 无限内存场景

作者通过三个参数指标来分析MoE和Engram之间的权衡:

  • P_tot:总可训练参数,不包括词表嵌和LM头。

  • P_act:每个Token的激活参数量。这个数值决定了训练成本(FLOPs)。

  • P_sparse≜P_tot-P_act:非激活参数,这代表了「免费」的参数预算,可用于在不增加计算成本的情况下扩展模型规模。

作者将分配比例ρ∈[0,1]定义为分配给MoE专家容量的非激活参数预算的比例:

直观来说:

  • ρ=1对应纯MoE模型(所有非激活参数都是参与路由的专家)。

  • ρ<1则减少路由专家的数量,并将释放出来的参数重新分配给Engram嵌入槽位。


结果与分析

图3(左)展示了验证损失与分配比例ρ之间存在一致的U型关系。

这种U型关系证实了两个模块之间的结构互补性:

  • MoE主导(ρ→100):模型缺乏用于存储静态模式的专用内存,迫使它只能通过增加深度和计算量来低效地重建这些模式。

  • Engram主导(ρ→0%):模型失去了条件计算能力,从而损害了那些需要动态、上下文依赖推理的任务;在这种场景下,记忆无法替代计算。

接下来,作者探索了一种互补的设置:激进的内存扩展。

图3(右)表明,扩展内存槽位的数量能带来清晰且一致的验证损失改善。

在探索的范围内,曲线遵循严格的幂律,这表明Engram提供了一种可预测的扩展调节手段:更大的内存能持续带来收益,而无需额外的计算量。

关于扩展效率关键的一点是:虽然OverEncoding的直接平均方法也能受益于更大的内存表,但Engram在相同的内存预算下解锁了更大的扩展潜力。

结合分配定律,这些结果验证了——

条件记忆可以作为稀疏容量的一个独特且可扩展的维度,与MoE的条件计算相辅相成。

爆杀传统MoE,知识推理数学全面涨

基于Engram架构以及实验得出的分配定律,作者将Engram扩展到了数十亿参数的级别,以此来验证其在现实世界LLM预训练中的有效性。

他们训练了以下四个模型:

·Dense-4B (总参数4.1B)

·MoE-27B (总参数26.7B)

·Engram-27B (总参数26.7B)

·Engram-40B (总参数39.5B)

实验结果

首先,与先前的文献结论一致,稀疏架构表现出了优于密集模型的扩展定律。

在相同的训练计算预算下,所有三个稀疏变体(MoE-27B,Engram-27B/40B)在所有基准测试中都显著击败了等FLOPs的Dense-4B基线。

更重要的是,Engram-27B始终优于等参数且等FLOPs的MoE-27B基线。

有趣的是,这些收益并不仅限于知识密集型任务(MMLU:+3.0,MMLU-Pro:+1.8,CMMLU:+4.0)。

在通用推理领域(BBH:+5.0,ARC-Challenge:+3.7,DROP:+3.3),以及代码和数学推理(HumanEval:+3.0,MBPP:+1.6,GSM8K:+2.2,MATH:+2.4)中,提升更为显著。

这些结果支持了他们的假设:引入一个专用的知识查找原语所带来的表示效率提升,要超过将所有稀疏预算都分配给条件计算的效果。

最后,扩展到Engram-40B进一步降低了预训练损失,并在大多数基准测试中提升了性能。

可以观察到,Engram-40B与基线之间的训练损失差距在训练后期仍在持续扩大,这表明扩大的内存容量在当前的Token预算内尚未完全饱和。

注意力彻底解放,32k上下文性能狂飙

通过将局部依赖建模的任务卸载给静态查找,Engram架构保留了宝贵的注意力容量来管理全局上下文。

通过长上下文扩展训练,作者证明了Engram在长程检索和推理任务上带来了显著的提升。

实验结果

1. 超越注意力机制的长上下文能力

虽然注意力机制和位置编码提供了处理上下文的结构基础,但结果表明,长上下文性能并非仅由架构先验决定。

轨迹可见,长上下文性能与基座模型的通用建模能力本质上是挂钩的。

因此,严格的架构比较必须通过对齐基座模型的Loss来控制这一干扰变量,而不仅仅是简单地对齐训练步数。

2. 受控设定下的架构优越性

在上述原则的指导下,作者将Engram与MoE 基线进行了对比。当控制了基座能力后,Engram模块的效率增益就变得非常明显:

  • 等Loss设定(46k vs. 基线):当对比预训练Loss对齐的Engram-27B(46k)和完全训练的MoE-27B(50k)时,Engram 展现出了显著的增益。

  • 等FLOPs设定(50k vs. 基线):在标准的等计算预算下,Engram-27B(50k)进一步拉大了这一差距,确立了全面的最佳性能。

  • 极端设定(≈82%计算量):即便是提前停止训练的Engram-27B(41k),在面对完全训练的MoE-27B(50k)时依然极具竞争力。这凸显了Engram架构内在的优越性。

计算+记忆双轴时代,直接融入V4?

DeepSeek最新论文,打开了稀疏化的第二条路,是一条非常具有启发性的路线:

稀疏化模型进入了「计算+记忆」双轴时代。

  • MoE继续负责动态计算与推理

  • Engram负责存储与检索静态知识与局部模式

如上的U型scaling law证明了,稀疏预算全部给MoE,不是全局最优,留出一部分给Engram整体更强。

1. 稀疏化目标变得更丰富了

条件计算解决了FLOPs,条件记忆解决了容量与模式检索,两线均可互补。

2. Engram收益带有结构性

它让LLM知识能力暴涨同时,也间接提升了推理、数学、代码的性能,因为Transfomer主干的深度和注意力计算效用更「值钱」了。

3. 确定性查表,很适合系统优化

模型预取和卸载很大,为「更大参数、同等吞吐」提供了一种可行的工程路线。

如今,全网都在猜测,春节档的V4有很大概率会把Engram融入主干架构。

回看此前DeepSeek路线:

DeepSeek V2曾引入MLA,大幅提升了推理效率和KV缓存友好度;

DeepSeek V3持续优化MoE,实现无损负载均衡,训练更稳定,成本更低。

若是V4真的把Engram落地,那将不仅是参数规模的提升,更是架构范式的又一次跃迁。

再加上,此前爆出,V4代码实力可能赶超Claude、ChatGPT系列。

今年的春节大礼,真是让人期待。

作者介绍

Xin Cheng

Xin Cheng目前在北京大学读博,主攻自然语言处理方向,研究重点是大语言模型和检索增强生成。

作为一名学术新秀,他在圈内已经做出了不少成绩,尤其是在NeurIPS、ACL和EMNLP这些顶会上,发了多篇一作论文。

参考资料:HYZ

https://github.com/deepseek-ai/Engram/blob/main/Engram_paper.pdf

https://x.com/karminski3/status/2010858438814023740

https://x.com/LearnWithScribe/status/2010783721410981930?s=20

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