大语言模型架构的演进：从Transformer到MoR

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从Transformer到MoR，探索大语言模型架构的演进历程与未来方向。

核心内容：
1. Transformer架构的核心原理与革命性突破
2. 混合专家模型（MoE）与Mamba架构的创新特点
3. 混合递归模型（MoR）如何开启智能缩放新时代

杨芳贤

53AI创始人/腾讯云(TVP)最具价值专家

在当今的人工智能领域，大语言模型（LLM）已成为技术革新的核心驱动力，而支撑这些模型的架构则在不断演进。从最初的Transformer架构奠定基础，到如今的混合递归（MoR）架构开启智能缩放新时代，每一次架构的革新都推动着大语言模型在性能、效率和规模上实现质的飞跃。本文将深入探讨大语言模型架构的演进历程，剖析Transformer、混合专家模型（MoE）、Mamba以及混合递归模型（MoR）的核心原理、优势不足以及它们在大语言模型发展中的重要意义。

一、Transformer：大语言模型的基石

在Transformer架构出现之前，循环神经网络（RNN）和长短期记忆网络（LSTMs）是处理序列数据的主流模型。然而，这些模型存在着明显的局限性，它们只能按照顺序逐步处理信息，无法实现并行计算，这极大地限制了模型的训练速度和处理长文本的能力。

2017年，Transformer架构的横空出世彻底改变了这一局面，堪称深度学习领域的“涡轮增压时刻”。与RNN和LSTMs不同，Transformer引入了自注意力机制和前馈网络层，使得序列中的每个 token 能够“同时看到”其他所有 token，打破了顺序处理的桎梏。

Transformer之所以具有强大的能力，源于其三大核心优势。其一，并行性是Transformer的显著特点。它能够同时处理序列中的所有 token，而不是像RNN和LSTMs那样按顺序逐个处理，这使得模型在训练和推理过程中的效率大幅提升。在处理长文本时，这种并行处理能力的优势尤为明显，能够节省大量的时间成本。其二，出色的长程上下文处理能力也是Transformer的一大亮点。它能够很好地捕捉长文档或长对话中的上下文关系，让模型能够理解文本中远距离 token 之间的依赖关系，这对于自然语言理解、机器翻译等任务至关重要。例如，在处理一篇长篇小说时，Transformer能够清晰地把握前后情节之间的联系，从而生成更连贯、更符合逻辑的内容。其三，卓越的可扩展性使Transformer能够从数百万参数轻松扩展到数十亿参数。随着参数规模的增大，模型能够学习到更丰富、更复杂的语言知识和模式，从而在各种自然语言处理任务中取得更好的性能。

Transformer的工作原理主要依赖于自注意力机制、前馈网络层和堆叠层的协同作用。自注意力机制负责计算序列中所有 token 之间的关系，通过为每个 token 分配不同的注意力权重，使得模型能够聚焦于重要的信息。例如，在处理句子“小明喜欢吃苹果，他每天都吃一个”时，自注意力机制会让“他”与“小明”之间建立较强的关联。前馈网络层则将 token 的表示转换为更高层次的特征，通过非线性变换进一步提取和加工信息，使模型能够学习到更抽象的语言规律。而堆叠层则通过将多个自注意力层和前馈网络层叠加起来，逐步构建起对文本的深层上下文理解。每一层都在前一层的基础上进行更深入的特征提取和关系建模，使得模型对文本的理解越来越深刻。

然而，Transformer并非完美无缺。它存在一个明显的缺陷，即无论 token 重要与否，都要经过大量的计算。这导致模型在推理过程中速度较慢，并且计算成本高昂。随着模型参数规模的不断扩大和处理文本长度的增加，这种计算效率低下的问题愈发突出，成为制约Transformer进一步发展的瓶颈。

为了改进Transformer的核心性能，通用Transformer（Universal Transformers）应运而生。与传统Transformer堆叠数十个独立层不同，通用Transformer通过递归方式重复使用同一个模块。 token 会多次通过一个“智能过滤器”，这种设计带来了两方面的效率提升。一方面，通过在层间共享参数，减少了参数的冗余，降低了模型的内存占用。另一方面，它允许自适应的计算深度，对于较难处理的 token 可以进行更多次的处理，而简单的 token 则可以减少处理次数，从而在保证模型性能的同时提高了计算效率。

二、混合专家模型（MoE）：智能缩放的突破

随着大语言模型的不断发展，人们对模型性能的要求越来越高，模型规模也随之急剧扩大。然而，传统的模型架构在 scaling 过程中面临着计算成本激增的问题。在这一背景下，混合专家模型（MoE）的出现为大语言模型的智能缩放带来了突破性进展。

MoE引入了大规模的条件计算机制，与传统模型在处理每个 token 时激活所有参数不同，MoE会将每个 token 路由到一小部分专门的“专家”进行处理。这种设计理念使得模型在拥有巨大容量的同时，不必在每一步都付出全部的计算成本。

一个完整的MoE模型主要由两个核心组件构成。第一个组件是“专家”（Experts），在MoE架构中，每个前馈神经网络（FFNN）层都包含一组“专家”，这些“专家”通常本身就是独立的前馈神经网络，并且在处理 token 时只会选择其中的一个子集。每个“专家”都专注于处理特定类型的语言任务或语言模式，例如有的专家擅长处理语法问题，有的专家则在语义理解方面表现出色。第二个组件是路由网络或门控网络（Router or gate network），它的作用是决定将哪些 token 发送给哪些专家。路由网络会根据 token 的特征和当前的任务需求，为每个 token 选择最合适的专家进行处理，确保 token 能够得到最有效的加工。

MoE的工作流程清晰且高效。在模型运行时，路由网络会为每个 token 选择1到2个专家进行处理。这意味着，尽管模型总体上可能拥有数十亿的参数，但每个 token 只会激活其中极小一部分参数。这种机制带来了显著的优势，它让模型在获得巨大容量带来的性能提升的同时，不必承担全部的计算成本。例如，一个拥有1000亿参数的MoE模型，在处理每个 token 时可能只需要激活其中的50亿参数，大大降低了计算资源的消耗。

MoE在大语言模型的 scaling 过程中产生了重大影响，它证明了在模型设计中不必总是将所有参数都用于每个 token 的处理，而是可以通过智能的方式进行缩放。这种架构展现出了强大的规模效率，能够在增加模型参数的同时，以较低的计算成本换取性能的提升。

不过，MoE也并非没有挑战。它增加了路由的复杂性，路由网络需要精准地为每个 token 选择合适的专家，这对路由算法的设计提出了很高的要求。同时，负载均衡问题也不容忽视，如何确保各个专家的工作量相对均衡，避免某些专家过度繁忙而影响整体性能，是MoE在实际应用中需要解决的难题。此外，MoE还带来了基础设施的开销，大量的专家需要进行管理和维护，对硬件资源和软件支持都提出了更高的要求。

与通用Transformer的递归机制相比，MoE和递归机制都属于条件计算，但它们有着不同的实际权衡。MoE回答的是“使用哪个专家”的问题，而递归机制则关注“同一模块重复使用多少次”。MoE通过选择不同的专家来实现计算资源的优化分配，而递归机制则通过调整模块的使用次数来适应不同 token 的处理需求，二者在提升模型效率的路径上各有侧重。

三、Mamba：Transformer的高效替代方案

在大语言模型的发展过程中，对长序列处理效率的追求从未停止。Transformer虽然在诸多任务中表现出色，但在处理超长序列时，其 quadratic 时间复杂度导致的计算效率低下和内存占用过高的问题日益凸显。在此背景下，Mamba作为一种状态空间模型应运而生，旨在比Transformer更高效地处理序列数据。

Mamba与Transformer有着本质的区别，它处理序列的时间复杂度为线性，这使得它在处理长上下文时速度极快。对于需要处理超长文本的任务，如长篇文档分析、书籍摘要生成等，Mamba的线性时间复杂度优势能够显著减少计算时间，提高处理效率。

Mamba之所以能够实现高效的序列处理，关键在于它没有依赖Transformer中的注意力机制，而是采用了选择性状态空间机制来决定保留和遗忘哪些信息。这种机制能够让模型根据序列的内容动态地调整对信息的处理，只保留对当前任务有价值的信息，遗忘无关或冗余的信息。

这种设计带来了多方面的好处。首先是更低的内存使用，由于不需要像Transformer那样存储大量的注意力权重矩阵，Mamba在处理长序列时能够大幅降低内存消耗，使得模型能够在有限的硬件资源下处理更长的文本。其次是更快的推理速度，线性时间复杂度使得Mamba在推理过程中能够快速处理序列数据，减少用户的等待时间，提升交互体验。最后，Mamba在大规模数据集上具有更好的扩展性，能够更高效地利用数据进行训练，从而学习到更全面的语言知识。

尽管Mamba在效率方面表现出色，但它目前还没有像Transformer那样在所有任务中都占据主导地位。一方面，Transformer经过多年的发展，已经在各种自然语言处理任务中得到了广泛的验证和应用，拥有成熟的理论基础和实践经验。而Mamba作为一种较新的架构，其在不同任务上的适应性和性能还需要进一步的验证和优化。另一方面，Mamba的生态系统和工具支持与Transformer相比还不够成熟。Transformer拥有丰富的开源框架、预训练模型和工具库，开发者可以方便地基于Transformer进行模型开发和应用部署。而Mamba的相关生态还在建设之中，开发者在使用Mamba时可能会面临工具缺乏、社区支持不足等问题。

不过，Mamba的出现为大语言模型的架构设计提供了新的思路，它展示了不依赖注意力机制也能高效处理序列数据的可能性。随着研究的不断深入和生态系统的逐步完善，Mamba有望在更多领域发挥重要作用，成为Transformer有力的补充和替代方案。

四、混合递归模型（MoR）：智能缩放的新方向

在追求大语言模型更高效率和更优性能的道路上，研究人员不断探索新的架构设计。混合递归模型（MoR）将递归机制与条件计算相结合，开创了大语言模型智能缩放的新方向。

MoR的核心设计理念是让不同的 token 经历不同数量的处理步骤，一些简单的 token 可以提前退出处理流程，而复杂的 token 则需要进行更深层次的处理。这种设计使得模型能够根据 token 的难度自适应地分配计算资源，提高计算效率。

MoR的工作机制主要包括以下几个方面。它会重复应用一个共享的Transformer模块，同时通过学习到的路由网络来决定每个 token 是继续循环处理还是退出。这种递归式的处理方式使得模型能够在有限的参数规模下实现对复杂 token 的深度加工。此外，MoR还采用了选择性的键值（KV）缓存机制，只对处于活跃状态的 token 进行缓存，这大大降低了内存开销，提高了模型的运行效率。

MoR在训练过程中采用端到端的训练方式，这确保了模型在推理时的路由决策与训练过程中学习到的模式相匹配，保证了模型的性能稳定性。通过端到端的训练，路由网络能够准确地学习到不同 token 的难度特征，从而做出合理的处理决策。

MoR带来了多方面的优势。首先是参数效率，由于采用了共享的Transformer模块，MoR需要的独特权重数量更少，在相同的参数规模下能够实现更高的模型容量。其次是计算效率，简单的 token 能够提前退出处理流程，避免了不必要的计算消耗，使得模型在处理大规模数据时更加高效。最后是更低的内存使用，选择性的KV缓存机制只缓存必要的信息，减少了内存占用，使得模型能够在资源有限的环境下运行。

然而，MoR的发展和应用也面临着一些挑战。它仍然需要硬件的支持，递归式的处理方式对硬件的计算能力和内存带宽有一定的要求。同时，需要仔细控制递归深度，过深的递归可能会导致模型过拟合或计算效率下降，而过浅的递归则可能无法充分处理复杂的 token，影响模型性能。

MoR的出现进一步推动了大语言模型向智能缩放的方向发展，它结合了递归机制和条件计算的优势，为解决大语言模型在效率和性能之间的平衡问题提供了新的解决方案。随着硬件技术的进步和模型优化方法的不断创新，MoR有望在未来的大语言模型发展中占据重要地位。

五、架构演进的趋势与未来展望

从Transformer到MoE、Mamba再到MoR，大语言模型架构的演进轨迹清晰地展现出一个趋势：朝着更智能、更高效的计算方向发展，在规模扩张与成本控制之间寻求平衡。

回顾整个演进过程，每一种新架构的出现都是为了克服前一种架构的局限性。Transformer奠定了大语言模型并行处理和长程上下文理解的基础，但存在计算效率低下的问题；MoE通过条件计算实现了模型的智能缩放，降低了计算成本，但带来了路由复杂性等挑战；Mamba摒弃了注意力机制，以线性时间复杂度实现了高效的序列处理，但生态系统尚不成熟；MoR则结合递归与条件计算，进一步提高了参数效率和计算效率，但对硬件和递归深度控制有较高要求。

未来，大语言模型的发展将不再仅仅追求规模的扩大，而是更加注重智能缩放。 conditional 计算、递归机制和以效率为先的设计将成为未来模型架构的核心发展方向。研究人员将继续探索新的架构设计，优化计算资源的分配方式，提高模型的效率和性能。

在 conditional 计算方面，未来的模型可能会发展出更智能的路由机制，能够更精准地为不同的 token 匹配最合适的处理资源，进一步提高计算效率。同时，如何解决负载均衡和路由复杂性等问题也将是研究的重点。

递归机制的应用将更加广泛和深入，研究人员可能会设计出更灵活的递归策略，根据不同的任务需求和数据特征动态调整递归深度和模块共享方式，实现计算资源的最优配置。

以效率为先的设计理念将贯穿模型开发的全过程，从模型架构的设计、参数的选择到训练和推理的优化，都将以提高效率为重要目标。这包括开发更高效的算法、优化硬件资源的利用、减少不必要的计算和内存消耗等。

此外，跨架构的融合也可能成为未来的发展趋势。将不同架构的优势结合起来，例如将Mamba的高效序列处理能力与MoE的智能缩放机制相结合，有望打造出性能更优、效率更高的大语言模型。同时，随着生态系统的不断完善，新架构的工具支持和社区资源将逐渐丰富，为大语言模型的实际应用提供更坚实的基础。

大语言模型架构的演进是一个不断创新和优化的过程，从Transformer的奠基到MoR的新探索，每一步都推动着大语言模型向更智能、更高效的方向发展。未来，随着技术的不断进步，大语言模型将在更多领域发挥重要作用，为人类带来更便捷、更智能的服务。而架构的持续演进将是大语言模型不断突破性能极限、实现可持续发展的核心动力。