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

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的影象难题，让模子容量不再靠堆参数！

刚刚，DeepSeek新论文宣布了，梁文锋署名！

这一次，他们联手北大直接瞄准了「影象」，是Transformer最致命的要害难题。

现在，MoE成为大模子主流架构，但实质仍是Transformer，因其缺少原生「知识查找」机制，许多检索能力被迫用大宗盘算去模拟。

33页论文中，团队提出了 MoE 互补的「条件影象」希罕轴，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)简直定性知识查找。

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

通过「希罕分派」（Sparsity Allocation）建模，他们意外发明MoE与Engram之间，保存「U形scaling law」。

这意味着，需调解两者之间资源比例，让盘算与静态影象间找到最优权衡。

沿着这个纪律，将Engram扩展到27B参数后，并在严酷等参数、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)影象，把注重力从局部噜苏中解救出来，效果不但是更会背知识，同时推理、代码、数学一起变强。

这可能成为希罕LLM下一条主流蹊径，更主要的是，下一代V4或将集成这一新要领。

不再苦算，给Transfomer插入「电子脑」

目今，LLM越做越大已成为「铁律」，一条熟悉的路径是——

把参数做大，把盘算做「希罕」。

混淆专家模子（MoE）就是典范代表，每个token只需激活少量专家，用「条件盘算」让参数规模飙升，FLOPs还能控住。

从Artifical Analysis榜单中可以看出，现有的希罕大模子，主流都是MoE。

但问题在于，Transformer缺少一种「原生的知识查找」能力，以是许多本该像检索一样 O(1)解决的事，被迫用一堆盘算去「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看法：希罕化不但效劳「盘算」，也可以效劳「影象」。

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

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

语言建模，两类使命

论文中，作者明确将语言建模拆成两类子使命：

一部分使命需「组合与推理」：上下文关系、长程依赖、逻辑推理、链式推理。

另一部分使命更像「模式检索」：实体名、牢靠搭配、常见短语、语法片断、重复泛起的局部结构

后者的一个配合点很显着，即它们往往局部、稳固、重复泛起。

若是用多层注重力和FFN去「算」他们，模子做获得，但本钱极高，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必需消耗多层注重力和FFN来逐步组合特征，这个历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，再由上下文决议是否接纳。

Engram焦点架构：暴力查表+影象开关

Engram一词源于神经学，本意为「影象痕迹」，是一种可扩展、可检索的影象单位。

它可以用于存储LLM在推理历程中，可能已接触过的模式、信息片断。

可以将Engram明确为，把经典「哈希N-gram嵌入」现代化，做成插在Transformer中心层的一个「可扩展查表模块」。

如图1所示，Engram是一个条件影象模块，旨在通过从结构上将静态模式存储与动态盘算疏散开来，从而增强Transformer主干网络。

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，该模块分两个功效阶段来处置惩罚每个位置t：检索和融合。

接下来，一起看看Engram的要害设计点。

基于哈希N-gram的希罕检索

第一阶段主要认真将局部上下文映射到静态的影象条目中，这通太过词器压缩（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。

他们预先盘算了一个满射函数P:V→V'，使用归一化的文本等价性（好比NFKC、小写化等手段）将原始Token ID坍缩陋习范标识符。

这个历程能让128k巨细的分词器有用词表巨细镌汰23%。

多头哈希

要想直接参数化所有可能的N-grams组合空间，盘算上是行欠亨的。作者接纳了一种基于哈希的要领。

为了镌汰冲突，给每个N-gram阶数n分派了K个差别的哈希头。

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滋扰。

为了增强表达力并解决这种歧义，作者接纳了一套受注重力机制启发的上下文感知门控机制。

他们使用目今的隐藏状态h_t作为动态的Query，而检索到的影象e_t则作为Key和Value投影的泉源：

其中W_K，W_V是可学习的投影矩阵。

为了包管梯度稳固性，他们在盘算标量门α_t∈(0,1)之前，先对Query和Key举行RMSNorm处置惩罚：

最后，为了扩大感受野并增强模子的非线性，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在种种样本上的门控标量α_t。

效果展示了，显着的选择性模式。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，视察到在多Token命名实体（如Alexander the Great、the Milky Way）和牢靠短语（如By the way，Princess of Wales）上有强烈的激活。

要害是，这种行为有用地跨语言泛化。

在中文demo中，Engram识别并检索奇异的习语表达和历史实体，好比「四大发明」和「张仲景」。

这些定性效果证实，Engram乐成识别并处置惩罚了牢靠的语言依赖关系，有用地将Transformer主干网络从影象这些静态关联中解放出来。

系统效率：盘算与存储解耦

扩展影象增强型模子往往受限于GPU高带宽内存（HBM）的容量。

然而，Engram简直定性检索机制天生就支持将参数存储与盘算资源解耦。

与依赖运行时隐藏状态举行动态路由的混淆专家模子（MoE）差别，Engram的检索索引仅取决于输入的Token序列。

这种可展望性为训练和推理提供了专门的优化战略，如图2所示。

训练阶段，为了容纳大规模嵌入表，他们接纳标准的模子并行战略，将表分片存储在可用的GPU上。

推理阶段，这种确定性特征使得「预取和重叠」战略成为可能。

U型Scaling Law，揭秘最优分派比

Engram作为条件影象的一种实现形式，在结构上与MoE专家提供的条件盘算是互补的。

这里，主要研究了以下两个要害问题：

1. 有限约束下的分派

2. 无限内存场景

作者通过三个参数指标来剖析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的激活参数目。这个数值决议了训练本钱（FLOPs）。

P_sparse?P_tot-P_act：非激活参数，这代表了「免费」的参数预算，可用于在不增添盘算本钱的情形下扩展模子规模。

作者将分派比例ρ∈[0,1]界说为分派给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模子（所有非激活参数都是加入路由的专家）。

ρ＜1则镌汰路由专家的数目，并将释放出来的参数重新分派给Engram嵌入槽位。

效果与剖析

图3（左）展示了验证损失与分派比例ρ之间保存一致的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）：模子缺乏用于存储静态模式的专用内存，迫使它只能通过增添深度和盘算量来低效地重修这些模式。

Engram主导（ρ→0%）：模子失去了条件盘算能力，从而损害了那些需要动态、上下文依赖推理的使命；在这种场景下，影象无法替换盘算。

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）批注，扩展内存槽位的数目能带来清晰且一致的验证损失改善。

在探索的规模内，曲线遵照严酷的幂律，这批注Engram提供了一种可展望的扩展调理手段：更大的内存能一连带来收益，而无需特另外盘算量。

关于扩展效率要害的一点是：虽然OverEncoding的直接平均要领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。

连系分派定律，这些效果验证了——

条件影象可以作为希罕容量的一个奇异且可扩展的维度，与MoE的条件盘算相辅相成。

爆杀古板MoE，知识推理数学周全涨

基于Engram架构以及实验得出的分派定律，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天下LLM预训练中的有用性。

他们训练了以下四个模子：

·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）

实验效果

首先，与先前的文献结论一致，希罕架构体现出了优于麋集模子的扩展定律。

在相同的训练盘算预算下，所有三个希罕变体（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。

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

有趣的是，这些收益并不但限于知识麋集型使命（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。

这些效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体现效率提升，要凌驾将所有希罕预算都分派给条件盘算的效果。

最后，扩展到Engram-40B进一步降低了预逊ю失，并在大大都基准测试中提升了性能。

可以视察到，Engram-40B与基线之间的逊ю失差别在训练后期仍在一连扩大，这批注扩大的内存容量在目今的Token预算内尚未完全饱和。

注重力彻底解放，32k上下文性能狂飙

通过将局部依赖建模的使命卸载给静态查找，Engram架构保存了名贵的注重力容量来治理全局上下文。

通过长上下文扩展训练，作者证实晰Engram在长程检索和推理使命上带来了显著的提升。

实验效果

1. 逾越注重力机制的长上下文能力

虽然注重力机制和位置编码提供了处置惩罚上下文的结构基础，但效果批注，长上下文性能并非仅由架构先验决议。

轨迹可见，长上下文性能与基座模子的通用建模能力实质上是挂钩的。

因此，严酷的架构较量必需通过对齐基座模子的Loss来控制这一滋扰变量，而不但仅是简朴地对齐训练步数。

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 基线举行了比照。当控制了基座能力后，Engram模块的效率增益就变得很是显着：

等Loss设定（46k vs. 基线）：当比照预训练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）：在标准的等盘算预算下，Engram-27B（50k）进一步拉大了这一差别，确立了周全的最佳性能。

极端设定（≈82%盘算量）：即即是提前阻止训练的Engram-27B（41k），在面临完全训练的MoE-27B（50k）时依然极具竞争力。这凸显了Engram架构内在的优越性。

盘算+影象双轴时代，直接融入V4？

DeepSeek最新论文，翻开了希罕化的第二条路，是一条很是具有启发性的蹊径：

希罕化模子进入了「盘算+影象」双轴时代。

MoE继续认真动态盘算与推理

Engram认真存储与检索静态知识与局部模式

如上的U型scaling law证实晰，希罕预算所有给MoE，不是全局最优，留出一部分给Engram整体更强。

1. 希罕化目的变得更富厚了

条件盘算解决了FLOPs，条件影象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，由于Transfomer主干的深度和注重力盘算效用更「值钱」了。

3. 确定性查表，很适合系统优化

模子预取和卸载很大，为「更大参数、一律吞吐」提供了一种可行的工程蹊径。

现在，全网都在推测，春节档的V4有很或许率会把Engram融入主干架构。

回看此前DeepSeek蹊径：

DeepSeek V2曾引入MLA，大幅提升了推理效率和KV缓存友好度；

DeepSeek V3一连优化MoE，实现无损负载平衡，训练更稳固，本钱更低。

若是V4真的把Engram落地，那将不但是参数规模的提升，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。

作者先容

Xin Cheng

Xin Cheng现在在北京大学读博，主攻自然语言处置惩罚偏向，研究重点是大语言模子和检索增强天生。

作为一名学术新秀，他在圈内已经做出了不少效果，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

《性爱XⅩXXX》，《Q8X2R7L1T4J5M9B6W3》

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监制：邓金木

策划：赖晗

主创：唐征宇林箴贺陈佛烘颜亦阳陈林韵

编辑：王家菁、段圣祺

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