現(xiàn)在ChatGPT等大模型一大痛點：

處理長文本算力消耗巨大，背后原因是Transformer架構(gòu)中注意力機制的二次復雜度。

FlashAttention作者Tri Dao參與提出的新架構(gòu)，成為有力挑戰(zhàn)者，引起大量關(guān)注：

Mamba（曼巴，一種蛇），在語言任務上擊敗/匹配Transformer性能，具有線性復雜度和5倍推理吞吐量。

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具體來說，Mamba在語言、音頻、DNA序列模態(tài)上都實現(xiàn)SOTA。

在最受關(guān)注的語言任務上，Mamba-3B超越同等規(guī)模的Transformer，與兩倍大的Transformer匹敵。

并且相關(guān)代碼、預訓練模型checkpoint都已開源。

兩位作者的解讀都獲得大量轉(zhuǎn)發(fā)。

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有網(wǎng)友發(fā)現(xiàn)，連在線預測平臺上的“Transformer在2027年還是SOTA嗎？”都在這一天出現(xiàn)明顯下降。

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有選擇處理信息+硬件感知算法。

Mamba是一種狀態(tài)空間模型（SSM，State Space Model）。

建立在更現(xiàn)代的適用于深度學習的結(jié)構(gòu)化SSM（S4, Structured SSM）基礎(chǔ)上，與經(jīng)典架構(gòu)RNN有相似之處。

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在先前研究的Mamba主要有三點創(chuàng)新：

• 對輸入信息有選擇性處理
• 硬件感知的算法
• 更簡單的架構(gòu)

選擇性狀態(tài)空間模型

作者認為，序列建模的一個基礎(chǔ)問題是把上下文壓縮成更小的狀態(tài)。

從這個角度來看，注意力機制雖然高性能但低效率，需要顯式地存儲整個上下文（也就是KV緩存），直接導致訓練和推理消耗算力大。

類RNN的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有有限的狀態(tài)，高效，但性能受到對上下文壓縮程度的限制。

Mamba的解決辦法，是讓模型對信息有選擇性處理，可以關(guān)注或忽略傳入的內(nèi)容，即使狀態(tài)大小固定也能壓縮上下文。

一個直觀的類比：

Transformer就像人類每寫一個字之前，都把前面的所有字+輸入都復習一遍，所以寫的慢。

RNN每次只參考前面固定的字數(shù)，寫的快，但容易忘掉更前面的內(nèi)容。

Mamba每次參考前面所有內(nèi)容的一個概括，越往后寫對前面內(nèi)容概括得越狠，丟掉細節(jié)保留大意。

在其前身結(jié)構(gòu)化狀態(tài)空間模型（S4）中，四個參數(shù)A、B、C、?都是固定的，不隨輸入變化。

在Mamaba中，作者讓這些參數(shù)B、C、?成為輸入的函數(shù)，讓模型能夠根據(jù)輸入內(nèi)容自適應地調(diào)整其行為。

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硬件感知的狀態(tài)擴展

為了讓古老的SSM在現(xiàn)代GPU上也能高效計算，Mamba中使用了FlashAttention同款技術(shù)。

核心思想是利用內(nèi)存的不同層級結(jié)構(gòu)處理SSM的狀態(tài)，減少高帶寬但慢速的HBM內(nèi)存反復讀寫這個瓶頸，具體來說：

• 在更高速的SRAM內(nèi)存中執(zhí)行離散化和遞歸操作，再將輸出寫回HBM。
• 通過并行掃描算法實現(xiàn)并行化。
• 當輸入從HBM加載到SRAM時，中間狀態(tài)不被保存，而是在反向傳播中重新計算。

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簡化的SSM架構(gòu)

將大多數(shù)SSM架構(gòu)的基礎(chǔ)塊，與現(xiàn)代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中普遍存在的門控MLP相結(jié)合，組成新的Mamba塊。

重復這個塊，與歸一化和殘差連接結(jié)合，構(gòu)成Mamba架構(gòu)。

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實驗結(jié)果

Mamba在Chinchilla縮放定律下預訓練時，語言任務優(yōu)于同類開源模型。

對比對象中的Transformer++為標準GPT-3架構(gòu)加上谷歌PaLM和Meta Llama中的改進方案，也就是已知最強Transformer配方。

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下游任務上，每個規(guī)模尺寸的Mamba都是同類最佳，并且通常與兩倍規(guī)模的基線性能匹配。

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特別是當序列長度增加到512k時，相比使用FlashAttention-2的Transformer快幾個數(shù)量級，而且不會內(nèi)存不足。

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Transformer的下一步？

最終，Mamba是第一個真正實現(xiàn)匹配Transformer性能的線性時間序列模型，無論是在預訓練困惑度還是下游任務評估方面。

并且在音頻和DNA序列建模上也優(yōu)于之前的SOTA模型，表現(xiàn)出一定的通用性。

作者在結(jié)論中提出，Mamba是通用序列模型骨干的有力候選者。

Stability AI創(chuàng)始人當即表示關(guān)注。

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英偉達科學家Jim Fan也對Transformer的挑戰(zhàn)者出現(xiàn)感到興奮。

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論文兩位作者Albert Gu和Tri Dao，博士都畢業(yè)于斯坦福大學，導師為Christopher Ré。

Albert Gu現(xiàn)在是CMU助理教授，多年來一直推動SSM架構(gòu)發(fā)展。

他曾在DeepMind 工作，目前是Cartesia AI的聯(lián)合創(chuàng)始人及首席科學家。

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Tri Dao，以FlashAttention、FlashDecoding系列工作聞名，現(xiàn)在是普林斯頓助理教授，和Together AI首席科學家，也在Cartesia AI擔任顧問。

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Cartesia AI公司介紹中提到致力于基于新架構(gòu)構(gòu)建下一代基礎(chǔ)模型，現(xiàn)在看來主要就是指創(chuàng)新的SSM架構(gòu)。

聯(lián)創(chuàng)及CEO Karan Goel同為斯坦福博士畢業(yè)，也是Mamba的前身S4論文作者之一。

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對于Mamba的下一步，在論文中有提到“探索新架構(gòu)是否能適用于Transformer已建立起的豐富大模型生態(tài)”。

其中包括微調(diào)、自適應、提示學習、上下文學習、指令微調(diào)、RLHF、量化……也就是要把基礎(chǔ)模型發(fā)展成GPT-3.5、Llama同類的助手模型了。

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但作者也提到，目前的實驗規(guī)模較小，要全面評估SSM是否能與Transformer和其他架構(gòu)如RWKV、微軟RetNet競爭，至少還需要驗證7B規(guī)模。

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在擴展SSM的過程中，還會遇到新的工程挑戰(zhàn)和對模型的調(diào)整，論文中沒有涉及。

最后，Albert Gu還分享了為什么把新架構(gòu)起名為一種毒蛇的名字：

速度快、對序列建模問題很致命、前身S4是SSSS（嘶嘶嘶嘶）。

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論文：https://arxiv.org/abs/2312.00752

參考鏈接：
[1]https://twitter.com/_albertgu/status/1731727672286294400
[2]https://twitter.com/_albertgu/status/1731727672286294400