Depth-Attention: Cross-Layer Value Mixing for Language Models

TL;DR

Depth-Attention通过跨层值混合提升语言模型性能,提升准确率达2.3个百分点。

cs.CL 🔴 高级 2026-06-03 6 次浏览
Boyi Zeng Yiqin Hao Zitong Wang Shixiang Song He Li Feichen Song Yifan Liu Ziwei He Xinbing Wang Zhouhan Lin
深度注意力 跨层方法 Transformer 语言模型 性能提升

核心发现

方法论

Depth-Attention在注意力模块内进行跨层选择,利用当前层查询在相同位置上关注早期层的键,并将它们的值混合到当前值中。此方法不增加参数,也不引入额外的推理状态。

关键结果

  • 在Qwen3架构下,Depth-Attention在1.5B和3B参数规模上实现最低困惑度和最高平均下游准确率,比传统Transformer提升达2.3个百分点。
  • 与mHC、Attention Residuals等强基线相比,Depth-Attention在困惑度和平均准确率上均有优势,且计算开销仅增加0.01%。
  • 深度注意力在360M到3B参数范围内均表现出色,并扩展到循环Transformer。

研究意义

该研究通过在注意力模块内进行跨层选择,解决了传统Transformer无法选择性重用早期层表示的问题,显著提升了语言模型的性能,减少了推理时的计算和内存开销。

技术贡献

Depth-Attention通过重用标准注意力查询、键和值缓存槽,实现跨层值混合,不增加参数或推理状态,提供了一种高效的跨层信息流动机制。

新颖性

Depth-Attention首次在注意力模块内进行跨层选择,与现有方法相比,避免了额外的隐藏状态开销,提供了一种新的跨层信息流动方式。

局限性

  • 在某些特定场景下,深度注意力可能无法充分利用所有早期层的信息,导致性能未达到理论最佳。
  • 由于跨层选择的复杂性,可能在某些硬件架构上导致计算效率下降。

未来方向

未来研究可以探索深度注意力在不同模型架构中的应用,以及进一步优化跨层选择机制以提升性能。

AI 总览摘要

深度注意力是一个新颖的方法,通过在注意力模块内进行跨层选择,解决了传统Transformer无法选择性重用早期层表示的问题。该方法在Qwen3架构下表现出色,提升了语言模型的性能,减少了推理时的计算和内存开销。

Depth-Attention通过重用标准注意力查询、键和值缓存槽,实现跨层值混合,不增加参数或推理状态,提供了一种高效的跨层信息流动机制。

未来研究可以探索深度注意力在不同模型架构中的应用,以及进一步优化跨层选择机制以提升性能。

深度分析

研究背景

Transformer模型通过自注意力机制在序列维度上动态选择信息,但在深度维度上信息流动较少。传统的解码器仅通过残差传播早期层信息,无法选择性地重用早期层表示。

核心问题

现有跨层方法在注意力模块外操作隐藏状态,增加了推理时的计算和内存开销。深度注意力旨在解决这一问题,通过在注意力模块内进行跨层选择。

核心创新

Depth-Attention在注意力模块内进行跨层选择,利用当前层查询在相同位置上关注早期层的键,并将它们的值混合到当前值中。此方法不增加参数,也不引入额外的推理状态。

方法详解

  • �� 在注意力模块内进行跨层选择
  • �� 当前层查询关注早期层的键
  • �� 混合早期层的值到当前值中
  • �� 重用标准注意力查询、键和值缓存槽

实验设计

在Qwen3架构下进行大规模预训练实验,比较Depth-Attention与传统Transformer解码器及代表性跨层基线的性能。

结果分析

Depth-Attention在1.5B和3B参数规模上实现最低困惑度和最高平均下游准确率,比传统Transformer提升达2.3个百分点。

应用场景

该方法可用于提升语言模型的性能,减少推理时的计算和内存开销,适用于大规模语言模型的训练和推理。

局限与展望

在某些特定场景下,深度注意力可能无法充分利用所有早期层的信息,导致性能未达到理论最佳。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象一个学校,老师们在不同的年级教授知识。传统的模型就像一个只关注当前年级的学生,无法回顾之前学过的内容。而深度注意力就像一个聪明的学生,他不仅关注当前的课程,还能选择性地回顾之前学过的知识,从而更好地理解和应用。

简单解释 像给14岁少年讲一样

想象你在玩一个游戏,每一关都有不同的挑战。传统的模型就像一个只关注当前关卡的玩家,无法回顾之前的经验。而深度注意力就像一个聪明的玩家,他不仅关注当前的挑战,还能回顾之前的经验,从而更好地应对当前的挑战。

术语表

深度注意力 (Depth-Attention)

一种在注意力模块内进行跨层选择的方法,通过重用标准注意力查询、键和值缓存槽,实现跨层值混合。

用于提升语言模型的性能,减少推理时的计算和内存开销。

困惑度 (Perplexity)

衡量语言模型预测下一个词的难度,数值越低表示模型性能越好。

用于评估模型的语言建模质量。

Qwen3架构 (Qwen3 Architecture)

一种用于语言模型的架构,支持大规模参数的训练和推理。

用于评估Depth-Attention的性能。

残差连接 (Residual Connection)

一种在深度网络中传递信息的标准机制,通过将每个块的变换结果添加到继承的表示中。

用于优化深度模型的训练。

自注意力 (Self-Attention)

一种机制,让每个token在序列中混合信息,但在深度维度上没有类似的机制。

用于动态选择序列维度的信息。

开放问题 这项研究留下的未解疑问

  • 1 如何进一步优化跨层选择机制以提升性能?
  • 2 深度注意力在不同模型架构中的应用效果如何?

应用场景

近期应用

语言模型优化

通过深度注意力提升模型性能,减少推理时的计算和内存开销。适用于大规模语言模型的训练和推理。

远期愿景

跨层信息流动

探索深度注意力在不同模型架构中的应用,进一步优化跨层选择机制以提升性能。

原文摘要

Self-attention selects information freely across the sequence, but across depth, Transformers merely add each layer's output to the residual stream, so later layers cannot selectively reuse earlier-layer representations. Recent cross-layer methods improve this flow but operate on hidden states outside attention, adding state beyond the key-value cache at inference--a cost that becomes increasingly salient as modern LLMs compress the cache with grouped-query and multi-head latent attention. We introduce Depth-Attention, which performs this selection inside the attention module itself: before a layer attends over the sequence, its query attends over the keys of earlier layers at the same token position and mixes their values into the value that self-attention then reads. Because Depth-Attention reuses the standard attention queries, keys, and value-cache slots, storing depth-mixed values in place of the original values, it adds no parameters and introduces no persistent inference state beyond the standard key-value cache--the same cache size as a vanilla decoder and less than hidden-state-based cross-layer methods. On Qwen3-style decoders at 1.5B and 3B parameters, Depth-Attention attains the lowest perplexity and the highest average downstream accuracy, improving over the vanilla Transformer by up to 2.3 accuracy points and surpassing strong cross-layer baselines in perplexity and average accuracy, while adding under 0.01% extra arithmetic FLOPs and no additional persistent inference state. The gains hold from 360M to 3B parameters and extend to looped Transformers.

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