屹立不倒的 Transformer 迎來(lái)了一個(gè)強(qiáng)勁競(jìng)爭(zhēng)者。

在別的領(lǐng)域，如果你想形容一個(gè)東西非常重要，你可能將其形容為「撐起了某領(lǐng)域的半壁江山」。但在 AI 大模型領(lǐng)域，Transformer 架構(gòu)不能這么形容，因?yàn)樗鼛缀鯎纹鹆恕刚麄€(gè)江山」。

自 2017 年被提出以來(lái)，Transformer 已經(jīng)成為 AI 大模型的主流架構(gòu)，但隨著模型規(guī)模的擴(kuò)展和需要處理的序列不斷變長(zhǎng)，Transformer 的局限性也逐漸凸顯。一個(gè)很明顯的缺陷是：Transformer 模型中自注意力機(jī)制的計(jì)算量會(huì)隨著上下文長(zhǎng)度的增加呈平方級(jí)增長(zhǎng)，比如上下文增加 32 倍時(shí)，計(jì)算量可能會(huì)增長(zhǎng) 1000 倍，計(jì)算效率非常低。

為了克服這些缺陷，研究者們開(kāi)發(fā)出了很多注意力機(jī)制的高效變體，但這往往以犧牲其有效性特為代價(jià)。到目前為止，這些變體都還沒(méi)有被證明能在不同領(lǐng)域發(fā)揮有效作用。

最近，一項(xiàng)名為「Mamba」的研究似乎打破了這一局面。

在這篇論文中，研究者提出了一種新的架構(gòu) ——「選擇性狀態(tài)空間模型（ selective state space model）」。它在多個(gè)方面改進(jìn)了先前的工作。

作者表示，「Mamba」在語(yǔ)言建模方面可以媲美甚至擊敗 Transformer。而且，它可以隨上下文長(zhǎng)度的增加實(shí)現(xiàn)線性擴(kuò)展，其性能在實(shí)際數(shù)據(jù)中可提高到百萬(wàn) token 長(zhǎng)度序列，并實(shí)現(xiàn) 5 倍的推理吞吐量提升。

消息一出，人們紛紛點(diǎn)贊，有人表示已經(jīng)迫不及待想要把它用在大模型上了。

作為通用序列模型的骨干，Mamba 在語(yǔ)言、音頻和基因組學(xué)等多種模態(tài)中都達(dá)到了 SOTA 性能。在語(yǔ)言建模方面，無(wú)論是預(yù)訓(xùn)練還是下游評(píng)估，他們的 Mamba-3B 模型都優(yōu)于同等規(guī)模的 Transformer 模型，并能與兩倍于其規(guī)模的 Transformer 模型相媲美。

這篇論文的作者只有兩位，一位是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器學(xué)習(xí)系助理教授 Albert Gu，另一位是 Together.AI 首席科學(xué)家、普林斯頓大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)助理教授（即將上任）Tri Dao。

Albert Gu 表示，這項(xiàng)研究的一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新是引入了一個(gè)名為「選擇性 SSM」的架構(gòu)，該架構(gòu)是 Albert Gu 此前主導(dǎo)研發(fā)的 S4 架構(gòu)（Structured State Spaces for Sequence Modeling ，用于序列建模的結(jié)構(gòu)化狀態(tài)空間）的一個(gè)簡(jiǎn)單泛化，可以有選擇地決定關(guān)注還是忽略傳入的輸入。一個(gè)「小小的改變」—— 讓某些參數(shù)成為輸入的函數(shù)，結(jié)果卻非常有效。

值得一提的是，S4 是一個(gè)非常成功的架構(gòu)。此前，它成功地對(duì)? Long Range Arena (LRA) 中的長(zhǎng)程依賴進(jìn)行了建模，并成為首個(gè)在 Path-X 上獲得高于平均性能的模型。更具體地說(shuō)，S4 是一類用于深度學(xué)習(xí)的序列模型，與 RNN、CNN 和經(jīng)典的狀態(tài)空間模型（State Space Model，SSM）廣泛相關(guān)。SSM 是獨(dú)立的序列轉(zhuǎn)換，可被整合到端到端神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中（ SSM 架構(gòu)有時(shí)也稱 SSNN，它與 SSM 層的關(guān)系就像 CNN 與線性卷積層的關(guān)系一樣）。Mamba 論文也討論了一些著名的 SSM 架構(gòu)，比如 Linear attention、H3、Hyena、RetNet、RWKV，其中許多也將作為論文研究的基線。Mamba 的成功讓 Albert Gu 對(duì) SSM 的未來(lái)充滿了信心。

Tri Dao 則是 FlashAttention、Flash Attention v2、Flash-Decoding的作者。FlashAttention 是一種對(duì)注意力計(jì)算進(jìn)行重新排序并利用經(jīng)典技術(shù)（平鋪、重新計(jì)算）加快速度并將內(nèi)存使用從序列長(zhǎng)度的二次減少到線性的算法。Flash Attention v2、Flash-Decoding 都是建立在 Flash Attention 基礎(chǔ)上的后續(xù)工作，把大模型的長(zhǎng)文本推理效率不斷推向極限。在 Mamba 之前，Tri Dao 和 Albert Gu 也有過(guò)合作。

另外，這項(xiàng)研究的模型代碼和預(yù)訓(xùn)練的檢查點(diǎn)是開(kāi)源的，參見(jiàn)以下鏈接：https://github.com/state-spaces/mamba.

論文鏈接：https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2312/2312.00752.pdf

https://github.com/state-spaces/mamba

方法創(chuàng)新

論文第 3.1 節(jié)介紹了如何利用合成任務(wù)的直覺(jué)來(lái)啟發(fā)選擇機(jī)制，第 3.2 節(jié)解釋了如何將這一機(jī)制納入狀態(tài)空間模型。由此產(chǎn)生的時(shí)變 SSM 不能使用卷積，導(dǎo)致了高效計(jì)算的技術(shù)難題。研究者采用了一種硬件感知算法，利用當(dāng)前硬件的內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)來(lái)克服這一難題（第 3.3 節(jié)）。第 3.4 節(jié)描述了一個(gè)簡(jiǎn)單的 SSM 架構(gòu)，不需要注意力，甚至不需要 MLP 塊。第 3.5 節(jié)討論了選擇機(jī)制的一些其他特性。

選擇機(jī)制

研究者發(fā)現(xiàn)了此前模型的一個(gè)關(guān)鍵局限：以依賴輸入的方式高效選擇數(shù)據(jù)的能力（即關(guān)注或忽略特定輸入）。

序列建模的一個(gè)基本方法是將上下文壓縮到更小的狀態(tài)，我們可以從這個(gè)角度來(lái)看待當(dāng)下流行的序列模型。例如，注意力既高效又低效，因?yàn)樗緵](méi)有明確壓縮上下文。這一點(diǎn)可以從自回歸推理需要明確存儲(chǔ)整個(gè)上下文（即 KV 緩存）這一事實(shí)中看出，這直接導(dǎo)致了 Transformer 緩慢的線性時(shí)間推理和二次時(shí)間訓(xùn)練。

遞歸模型的效率很高，因?yàn)樗鼈兊臓顟B(tài)是有限的，這意味著恒定時(shí)間推理和線性時(shí)間訓(xùn)練。然而，它們的高效性受限于這種狀態(tài)對(duì)上下文的壓縮程度。

為了理解這一原理，下圖展示了兩個(gè)合成任務(wù)的運(yùn)行示例：

研究者設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的選擇機(jī)制，根據(jù)輸入對(duì) SSM 參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化。這樣，模型就能過(guò)濾掉無(wú)關(guān)信息，并無(wú)限期地記住相關(guān)信息。

將選擇機(jī)制納入模型的一種方法是讓影響序列交互的參數(shù)（如 RNN 的遞歸動(dòng)力學(xué)或 CNN 的卷積核）與輸入相關(guān)。算法 1 和 2 展示了本文使用的主要選擇機(jī)制。其主要區(qū)別在于，該方法只需將幾個(gè)參數(shù) ?，B，C 設(shè)置為輸入函數(shù)，并在整個(gè)過(guò)程中改變張量形狀。這些參數(shù)現(xiàn)在都有一個(gè)長(zhǎng)度維度 L ，意味著模型已經(jīng)從時(shí)間不變變?yōu)闀r(shí)間可變。

硬件感知算法

上述變化對(duì)模型的計(jì)算提出了技術(shù)挑戰(zhàn)。所有先前的 SSM 模型都必須是時(shí)間和輸入不變的，這樣才能提高計(jì)算效率。為此，研究者采用了一種硬件感知算法，通過(guò)掃描而不是卷積來(lái)計(jì)算模型，但不會(huì)將擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)具體化，以避免在 GPU 存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的不同級(jí)別之間進(jìn)行 IO 訪問(wèn)。由此產(chǎn)生的實(shí)現(xiàn)方法在理論上（與所有基于卷積的 SSM 的偽線性相比，在序列長(zhǎng)度上呈線性縮放）和現(xiàn)有硬件上都比以前的方法更快（在 A100 GPU 上可快達(dá) 3 倍）。

架構(gòu)

研究者將先前的 SSM 架構(gòu)設(shè)計(jì)與 Transformer 的 MLP 塊合并為一個(gè)塊，從而簡(jiǎn)化了深度序列模型架構(gòu)，形成了一種包含選擇性狀態(tài)空間的簡(jiǎn)單、同質(zhì)的架構(gòu)設(shè)計(jì)（Mamba）。

與結(jié)構(gòu)化 SSM 一樣，選擇性 SSM 也是一種獨(dú)立的序列變換，可以靈活地融入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。H3 架構(gòu)是著名的同質(zhì)化架構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，通常由線性注意力啟發(fā)的塊和 MLP（多層感知器）塊交錯(cuò)組成。

研究者簡(jiǎn)化了這一架構(gòu)，將這兩個(gè)部分合二為一，均勻堆疊，如圖 3。他們受到門控注意力單元（GAU）的啟發(fā)，該單元也對(duì)注意力做了類似的處理。

選擇性 SSM 以及 Mamba 架構(gòu)的擴(kuò)展是完全遞歸模型，幾個(gè)關(guān)鍵特性使其適合作為在序列上運(yùn)行的通用基礎(chǔ)模型的骨干：

高質(zhì)量：選擇性為語(yǔ)言和基因組學(xué)等密集模型帶來(lái)了強(qiáng)大的性能。

快速訓(xùn)練和推理：在訓(xùn)練過(guò)程中，計(jì)算量和內(nèi)存與序列長(zhǎng)度成線性關(guān)系，而在推理過(guò)程中，由于不需要緩存以前的元素，自回歸展開(kāi)模型每一步只需要恒定的時(shí)間。

長(zhǎng)上下文：質(zhì)量和效率共同提高了實(shí)際數(shù)據(jù)的性能，序列長(zhǎng)度可達(dá) 100 萬(wàn)。

實(shí)驗(yàn)評(píng)估

實(shí)證驗(yàn)證了 Mamba 作為通用序列基礎(chǔ)模型骨干的潛力，無(wú)論是在預(yù)訓(xùn)練質(zhì)量還是特定領(lǐng)域的任務(wù)性能方面，Mamba 都能在多種類型的模態(tài)和環(huán)境中發(fā)揮作用：

合成任務(wù)。在復(fù)制和感應(yīng)頭等重要的語(yǔ)言模型合成任務(wù)上，Mamba 不僅能輕松解決，而且能推斷出無(wú)限長(zhǎng)的解決方案（>100 萬(wàn) token）。

音頻和基因組學(xué)。在音頻波形和 DNA 序列建模方面，Mamba 在預(yù)訓(xùn)練質(zhì)量和下游指標(biāo)方面都優(yōu)于 SaShiMi、Hyena、Transformer 等先前的 SOTA 模型（例如，在具有挑戰(zhàn)性的語(yǔ)音生成數(shù)據(jù)集上將 FID 降低了一半以上）。在這兩種情況下，它的性能隨著上下文長(zhǎng)度的增加而提高，最高可達(dá)百萬(wàn)長(zhǎng)度的序列。

語(yǔ)言建模。Mamba 是首個(gè)線性時(shí)間序列模型，在預(yù)訓(xùn)練復(fù)雜度和下游評(píng)估方面都真正達(dá)到了 Transformer 質(zhì)量的性能。通過(guò)多達(dá) 1B 參數(shù)的縮放規(guī)律，研究者發(fā)現(xiàn) Mamba 的性能超過(guò)了大量基線模型，包括 LLaMa 這種非常強(qiáng)大的現(xiàn)代 Transformer 訓(xùn)練配方。

與類似規(guī)模的 Transformer 相比，Mamba 具有 5 倍的生成吞吐量，而且 Mamba-3B 的質(zhì)量與兩倍于其規(guī)模的 Transformer 相當(dāng)（例如，與 Pythia-3B 相比，常識(shí)推理的平均值高出 4 分，甚至超過(guò) Pythia-7B）。

審核編輯：黃飛