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编辑：英智
【新智元导读】从GPT-2到DeepSeek-V3和Kimi K2，架构看似未变，却藏着哪些微妙升级？本文深入剖析2025年顶级开源模型的创新技术，揭示滑动窗口注意力、MoE和NoPE如何重塑效率与性能。
从最初的GPT架构问世以来，已经过去七年了。
回顾2019年GPT-2，再看2024-2025年的DeepSeek-V3和Llama 4，你会发现，这些模型的结构依然惊人地相似。
当然，位置嵌入已从绝对位置编码演变为旋转位置编码（RoPE），多头注意力（Multi-Head Attention）大多被分组查询注意力（Grouped-Query Attention）取代，更高效的SwiGLU激活函数也逐渐取代了GELU。
展开剩余96%但在这些细微改进之下，我们真的见证了突破性的变化吗？还是只是在打磨相同的架构？
图1 本文提到的模型架构
本文没有聚焦于基准测试性能或训练算法，而是关注当今旗舰开源模型的架构发展。
研究这些架构本身的结构变化仍然具有很大价值，可以追踪2025年LLM研究者的最新动态。
DeepSeek V3/R1
DeepSeek R1在2025年1月发布时引起了巨大反响。
R1是一个基于DeepSeek V3构建的推理模型，DeepSeek V3于2024年12月首次亮相。
本节重点介绍DeepSeek V3中引入的两种关键架构技术，这显著提升了计算效率：
多头潜在注意力（Multi-Head Latent Attention, MLA）
混合专家模型（Mixture-of-Experts, MoE）
多头潜在注意力（Multi-Head Latent Attention, MLA）
混合专家模型（Mixture-of-Experts, MoE）
多头潜在注意力
先从分组查询注意力（Grouped-Query Attention, GQA）说起。
近年来，GQA已成为替代多头注意力（Multi-Head Attention, MHA）的新标准，因为在计算和参数效率上表现更优。
传统的MHA中，每个注意力头都有自己独立的键和值。
而GQA为了降低内存占用，会将多个注意力头分组，让它们共享相同的键和值投影。
举个例子（如下图2所示），假如有2个键-值组和4个注意力头，那么头1和头2会共享一组键和值，头3和头4共享另一组。
这样就减少了键和值的计算总量，从而降低了内存使用量，提高了效率。
根据消融研究，这种方式在不明显影响模型性能的情况下实现了更高的效率。
图2 MHA与GQA的比较，组大小为2，其中两个查询共享一个键值对
GQA 的核心思想是通过让多个查询头共享键和值来减少键和值头的数量。这带来了两个好处：
降低了模型的参数量；
推理过程中减少了键和值张量的内存带宽使用，因为需要存储和从键值缓存中检索的键和值更少。
降低了模型的参数量；
推理过程中减少了键和值张量的内存带宽使用，因为需要存储和从键值缓存中检索的键和值更少。
虽然GQA主要是为了提升MHA的计算效率，但消融研究表明，GQA在语言模型性能上与标准的MHA表现相当。
多头潜在注意力提供了一种不同的内存节省策略，尤其适合与键-值缓存搭配使用。
与GQA通过共享键和值头不同，MLA的方法是将键和值张量压缩到一个低维空间，然后再存储到键值缓存中。
在推理时，这些压缩的张量会在使用前被投影回原始尺寸，如图3所示。
虽然会增加一次额外的矩阵乘法，但显著降低了内存使用量。
图3 MLA工作流程（用于DeepSeekV3和R1）与常规MHA的比较
顺便提一句，查询在训练时也会被压缩，但在推理时不会。
MLA并不是DeepSeek V3首创的技术，它的前身DeepSeek-V2就已经引入了这种技术。
此外，DeepSeek-V2论文中包含了一些有趣的消融研究，解释了为什么DeepSeek团队选择MLA而不是GQA。
图4 DeepSeek-V2论文中的表格，来自https://arxiv.org/abs/2405.04434
如图所示，GQA的表现似乎不如MHA，而MLA在建模性能上优于MHA。
MLA是一种能减少键值缓存的内存使用量的技巧，同时在建模性能上略胜MHA一筹。
专家混合模型（MoE）
DeepSeek的另一个值得关注的架构组件是其使用的专家混合（Mixture-of-Experts, MoE）层。
MoE的核心思想是将Transformer中的每个前馈网络（FeedForward）模块替换为多个专家层，而每个专家层本身也是一个前馈网络模块。
简单来说，就是用多个前馈网络块替换单个前馈网络块，如下图所示。
图5 DeepSeek V3/R1中的MoE模块（右）与标准前馈网络模块（左）
因此，用多个前馈网络模块替换单一前馈网络模块，会显著增加模型的总参数量。
关键的技巧在于，不会为每个token激活所有专家。相反，一个router会为每个token选择一小部分专家。
由于每次只激活少数专家，MoE模块通常被称为「稀疏」模块。
通过MoE增加的大量总参数提升了模型的容量，这意味着模型在训练时可以吸收更多知识。
而稀疏性则保证了推理的高效，因为不会同时使用所有参数。
例如，DeepSeek-V3每个MoE模块有256个专家，总计671B参数。但在推理过程中，每次只激活9个专家。
这意味着每次推理步骤只使用37B参数，而不是全部参数。
DeepSeek-V3的MoE设计中一个特点是使用了一个共享专家。这个共享专家对每个token始终保持激活。
图6 来自DeepSeekMoE论文，https://arxiv.org/abs/2401.06066
研究发现，与没有共享专家的情况相比，共享专家能提升整体建模性能。
DeepSeek-V3是一个拥有671B参数的超大规模模型，在发布时超越了其他开源模型，包括405B参数的Llama 3。
尽管参数量巨大，但得益于MoE架构，DeepSeek-V3在推理时的效率非常高，每个token仅激活一小部分参数。
另一个关键的区别是DeepSeek-V3使用了多头潜在注意力（MLA）而非分组查询注意力（GQA）。
MLA和GQA都是比标准多头注意力（MHA）更高效的替代方案，尤其是在使用键值缓存时。
尽管MLA的实现更复杂，但DeepSeek-V2论文中的研究表明，MLA的建模性能优于GQA。
Kimi 2
Kimi 2最近在AI社区引发了巨大反响，因为它是一个性能卓越的开源权重模型。
根据基准测试，Kimi 2的表现可与顶尖模型（如Gemini、Claude和ChatGPT）相媲美。
优化器创新：Muon而非AdamW
一个值得注意的亮点是Kimi K2使用了一种相对较新的优化器Muon的变体，而非业界标准的AdamW。
这是Muon首次在如此大规模的生产模型中取代AdamW。
这带来了非常平滑的训练损失曲线，这很可能帮助Kimi K2在上述基准测试中名列前茅。
Kimi K2模型拥有1万亿个参数，规模令人震撼。
Kimi K2的出现并非偶然，它基于本文开头讨论的DeepSeek-V3架构，只是规模更大，如下图所示。
图7 DeepSeek V3与Kimi K2的架构对比
Kimi K2的架构与DeepSeek V3基本相同，区别在于它在专家混合（MoE）模块中使用了更多的专家，并在多头潜在注意力（MLA）模块中减少了注意力头的数量。
Kimi K2并非横空出世。此前的 Kimi 1.5模型也表现不俗。
然而，Kimi 1.5不幸与DeepSeek R1的论文在同一天发布。
因此，Kimi K2团队很可能吸取了这些教训，在DeepSeek R2发布之前，将Kimi K2作为开源权重模型发布。
截至本文撰写时，Kimi K2是最令人印象深刻的开源权重模型。
Qwen3
Qwen团队始终在提供高质量的开源LLM，位列排行榜前列。
Qwen3包括7个密集模型：0.6B、1.7B、4B、8B、14B和32B，以及2个专家混合模型：30B-A3B和235B-A22B。
Qwen3（Dense）
Qwen3 0.6B模型可能是当前一代开源模型中参数量最小的。
尽管规模小，但模型性能非常出色。如果在本地运行，它具有很高的token/秒吞吐量和低内存占用。
此外，由于其小规模，它也非常适合本地训练（例如用于教育目的）。
因此，Qwen3 0.6B已经取代了Llama 3 1B，成为大多数用途的首选模型。
以下是这两种架构的对比图。
图8 Qwen3 0.6B与Llama 3 1B的架构对比
Qwen3整体架构较小，隐藏层更小，注意力头更少，因此内存占用较小。
然而，它使用了比Llama 3更多的Transformer模块，这导致运行速度较慢（生成token/秒的速度较低）。
Qwen3（MoE）
Qwen3还推出了两种专家混合模型变体：30B-A3B和235B-A22B。
MoE变体有助于降低大模型的推理成本，针对推理的扩展性进行了优化。
在固定的推理预算下，MoE模型可以实现更高的模型容量，而不会成比例增加推理成本。
通过同时发布这两种类型的模型，Qwen3系列能够支持更广泛的用例：密集模型适用于稳健性、简单性和微调，而MoE模型则适合大规模高效推理。
图9 DeepSeek-V3与Qwen3 235B-A22B的架构对比
Qwen3模型放弃了使用共享专家。团队没有透露放弃共享专家的具体原因。
OLMo 2
由非营利组织Allen人工智能研究所开发的OLMo系列模型，因其在训练数据和代码的透明度而备受关注。
OLMo模型因透明度而广受欢迎，它们的性能也并不差。
1月份发布时，OLMo 2在计算成本与性能的Pareto frontier上表现突出，如图所示。
图10 不同大模型的建模基准性能与预训练成本的对比，来自OLMo 2论文 https://arxiv.org/abs/2501.00656
OLMo 2有哪些有趣的架构设计呢？
主要集中在normalization：RMSNorm层的位置以及新增的QK-Norm。
规范化层的位置
OLMo 2的架构在很大程度上沿袭了GPT，与其他当代LLM相似。
与Llama、Gemma一样，OLMo 2从LayerNorm切换到了RMSNorm。
不过，RMSNorm层的位置值得一提。
在原始Transformer中，两个规范化层分别被放置在注意力模块和前馈网络模块之后。这种方式被称为后规范化。
GPT以及之后的大多数LLM将规范化层放在注意力模块和前馈网络模块之前，这种方式被称为前规范化。
图11 后规范化、前规范化以及OLMo 2版本的后规范化的对比
前规范化在初始化时能产生更稳定的梯度。
此外，前规范化甚至在没有精心设计的学习率预热（learning rate warm-up）的情况下也能表现良好，学习率预热对后规范化来说是至关重要的工具。
OLMo 2采用了一种后规范化的形式（但使用的是RMSNorm而不是LayerNorm，因此称之为Post-Norm）。
在OLMo 2中，规范化层不再放在注意力模块和前馈网络模块之前，而是放在之后。
与原始Transformer不同的是，OLMo 2的规范化层仍然位于残差层内部。
那么，为什么要改变规范化层的位置呢？原因在于这有助于提高训练稳定性。
图12 前规范化（如GPT-2、Llama 3）与OLMo 2的后规范化的训练稳定性对比图
遗憾的是，这同时展示了规范化层重新排列和QK-Norm的效果，因此很难单独判断规范化层位置调整的具体贡献。
QK-Norm
QK-Norm实际上是另一个RMSNorm层。
它被放置在多头注意力（MHA）模块内部，在应用旋转位置编码（RoPE）之前，对查询和键进行规范化。
以下是为Qwen3从头实现的分组查询注意力（GQA）层的代码片段：
QK-Norm结合后规范化能稳定训练过程。
OLMo 2的亮点主要集中在RMSNorm的位置调整：将RMSNorm放置在注意力模块和前馈网络模块之后，以及在注意力机制中对查询和键添加RMSNorm（即QK-Norm）。
这两者结合有助于稳定训练过程中的损失，下图进一步对比了OLMo 2和Llama 3的架构。
除了OLMo 2仍然使用传统的多头注意力（MHA）而非分组查询注意力（GQA）外，两者的架构相似。
图13 Llama 3与OLMo 2的架构对比
Gemma 3
与Llama等热门模型相比，谷歌Gemma似乎被低估了。
Gemma的显著特点是其超大的词汇量，以及对27B模型的特别重视。
Gemma 3也提供了更小规模的版本：1B、4B和12B。
27B模型恰好达到了一个非常理想的平衡点：它的能力远超8B模型，但又不像70B模型那样需要大量计算资源。在Mac Mini上运行27B模型完全没有问题。
Gemma 3还有什么有趣的地方呢？
正如之前讨论的，DeepSeek-V3/R1采用了专家混合架构，通过推理时只激活部分参数来降低内存需求。
Gemma 3则使用了另一种方法来降低计算成本，即滑动窗口注意力（sliding window attention）。
滑动窗口注意力
滑动窗口注意力让Gemma 3团队大幅降低了键值缓存的内存需求，如下图所示。
图14 Gemma 3论文（https://arxiv.org/abs/2503.19786）通过滑动窗口注意力实现的键值缓存内存节省
如果把常规的自注意力（self-attention）看作一种全局注意力机制（因为每个序列元素可以访问所有其他序列元素）。
那么滑动窗口注意力可以看作一种局部注意力机制，它限制了当前查询位置周围的上下文范围。
图15 常规注意力（左）与滑动窗口注意力（右）的对比
滑动窗口注意力可以与多头注意力（MHA）和分组查询注意力（GQA）一起使用；Gemma 3使用的是分组查询注意力。
如上所述，滑动窗口注意力也被称为局部注意力，因为局部窗口会围绕当前查询位置并随其移动。
相比之下，常规注意力是全局的，因为每个token都可以访问所有其他token。
Gemma 2也已经使用了滑动窗口注意力。
Gemma 3的不同之处在于调整了全局注意力（常规注意力）和局部注意力（滑动窗口）的比例。
Gemma 2使用了一种混合注意力机制，将滑动窗口（局部）注意力和全局注意力以1:1的比例结合，每个token可以关注附近4096个token的上下文窗口。
在Gemma 3中，这一比例调整为5:1，即每5个滑动窗口（局部）注意力层才有一个全局注意力层；此外，滑动窗口的大小从Gemma 2的4096缩小到Gemma 3的1024。
这使得模型更专注于高效的局部计算。
根据消融研究，使用滑动窗口注意力对模型性能的影响微乎其微，如图所示。
图16 Gemma 3论文（https://arxiv.org/abs/2503.19786）显示滑动窗口注意力对模型输出的困惑度（perplexity）几乎没有影响
Gemma3规范化层位置
Gemma 3在其分组查询注意力（GQA）模块周围同时使用了前规范化和后规范化的RMSNorm设置。
这与Gemma 2的做法类似，但仍值得强调，因为它与以下情况不同：
原始Transformer使用的后规范化（Post-Norm）；
GPT-2推广并被许多后续架构采用的前规范化（Pre-Norm）；
之前提到的OLMo 2中使用的后规范化变体。
原始Transformer使用的后规范化（Post-Norm）；
GPT-2推广并被许多后续架构采用的前规范化（Pre-Norm）；
之前提到的OLMo 2中使用的后规范化变体。
图17 OLMo 2与Gemma 3的架构对比；注意Gemma 3中额外的规范化层
Gemma 3是一款性能优异的开源LLM，它在开源社区中有些被低估。
最引人注目的是使用滑动窗口注意力来提高效率（未来与专家混合模型MoE结合可能会很有趣）。
此外，Gemma 3在规范化层的位置上也有独特的设计，在注意力模块和前馈网络模块前后都放置了RMSNorm层。
Gemma 3n
Gemma 3发布几个月后，谷歌推出了Gemma 3n，这是针对小型设备（如手机）优化的模型。
为了提升效率，Gemma 3n引入的一项变化是所谓的逐层嵌入（Per-Layer Embedding, PLE）参数层。
其核心思想是将模型的一部分参数保留在GPU内存中，而特定于token层的嵌入（例如文本、音频和视觉模态的嵌入）则根据需要从CPU或SSD流式传输。
下图展示了PLE的内存节省效果。
图18 谷歌Gemma 3n博客（https://developers.googleblog.com/en/introducing-gemma-3n/）
另一个有趣的技巧是MatFormer。
例如，Gemma 3n使用单一的共享大型语言模型（Transformer）架构，可以将其切片为更小的、独立可用的模型。
每个切片都经过训练可以独立运行，因此在推理时，可以只运行所需的切片（而不是整个大模型）。
Mistral Small 3.1
Mistral Small 3.1是继Gemma 3之后于3月发布的一款模型，拥有24B参数。
它在多项基准测试中超越了Gemma 3 27B，除了数学任务外表现更优，同时推理速度更快。
Mistral Small 3.1推理延迟较低的原因可能包括：
定制分词器（Tokenizer）：优化的分词器可能提高了处理效率。
减少KV缓存和层数：通过缩小键值缓存（KV cache）和模型层数，降低了计算和内存需求。
标准架构：如下图所示，Mistral Small 3.1采用了较为常规的架构设计。
定制分词器（Tokenizer）：优化的分词器可能提高了处理效率。
减少KV缓存和层数：通过缩小键值缓存（KV cache）和模型层数，降低了计算和内存需求。
标准架构：如下图所示，Mistral Small 3.1采用了较为常规的架构设计。
图19 Gemma 3 27B与Mistral Small 3.1 24B的架构对比
早期Mistral模型曾使用滑动窗口注意力，但Mistral Small 3.1中似乎放弃了这一机制。
Mistral Small 3.1使用的是常规的分组查询注意力，而不是像Gemma 3那样的带滑动窗口的GQA。
这可能带来额外的推理计算节省，因为可以利用更优化的代码。
虽然滑动窗口注意力可以减少内存使用量，但并不一定能降低推理延迟，而Mistral Small 3.1的重点正是优化推理延迟。
Llama 4
Llama 4同样采用了MoE架构，其整体架构与DeepSeek-V3非常相似，如下图所示。
图20 DeepSeek V3（671B参数）与Llama 4 Maverick（400B参数）的架构对比
虽然Llama 4 Maverick的整体架构看起来与DeepSeek-V3非常相似，但仍有一些值得注意的差异。
Llama 4沿用了其前身的分组查询注意力（GQA），而DeepSeek-V3使用了多头潜在注意力（MLA）。
DeepSeek-V3和Llama 4 Maverick都是超大规模架构，但DeepSeek-V3的总参数量比Llama 4大约多68%。
然而，在活跃参数方面，DeepSeek-V3每次推理使用37B个参数，是Llama 4 Maverick（17B活跃参数）的两倍多。
Llama 4 Maverick使用了更经典的MoE设置，专家数量较少但规模较大（每次激活2个专家，每个专家的隐藏层大小为8192）。
而DeepSeek-V3的MoE设置则有更多但较小的专家（每次激活9个专家，每个专家的隐藏层大小为2048）。
此外，DeepSeek-V3在每个Transformer中都使用了MoE层，而Llama 4则在每隔一个Transformer中交替使用MoE和密集模块。
参考资料：
https://magazine.sebastianraschka.com/p/the-big-llm-architecture-comparison配资最新行情
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