告別Next-token，現(xiàn)在模型微調(diào)階段就能直接多token預測！

從GPT到Claude，當前主流LLM都依賴next-token prediction（下一token預測）進行訓練，但它卻讓AI很難真正理解跨越多token的完整概念。

于是南洋理工大學最近提出了一項新技術——概念感知微調(diào)（CAFT），首次實現(xiàn)將multi-token prediction（多token預測）引入微調(diào)階段，讓模型能夠像人類一樣理解和學習完整概念。

原來LLM只能碎片化理解每個token，現(xiàn)在CAFT可以為模型添加額外的輔助頭，在主模型學習下一個詞的同時，幫助學習后續(xù)token，并通過動態(tài)調(diào)整權重，確保模型始終優(yōu)先優(yōu)化主要任務的損失。

最終LLM可以兼顧多token概念學習，形成更為完整的認知，在推理和生成能力增強的同時，既不會影響模型本身，也不會額外增加多余成本。

另外研究人員通過實驗發(fā)現(xiàn)，CAFT在編程、數(shù)學、生物醫(yī)學等多個領域都能顯著提升模型性能，或許未來將會讓AI訓練范式迎來根本性轉變。

下面是有關CAFT的更多詳細內(nèi)容。

Next-token預測：AI的“基因密碼”

首先，next-token prediction的基本思想是在已知上下文的基礎上，預測最有可能的下一個token。

舉個例子，針對句子“人工智能將改變_”，你可能會直接預測出“世界”、“未來”或“社會”，但是next-token prediction的預測流程則分為以下三步：

1. 分詞：例如將“人工智能”拆分為“人工”和“智能”。
2. 序列建模：讓模型逐個學習每個token與其前文的關系。
3. 概率預測：為所有候選token分配概率，并選擇最高者作為輸出。

Next-token將會在預訓練里的大規(guī)模語料上學習語言統(tǒng)計規(guī)律與通識知識，然后在微調(diào)中通過特定任務數(shù)據(jù)學習具體行為模式，決定模型實際表現(xiàn)。

但無論是預訓練還是微調(diào)，next-token prediction都只會在每一步中只預測下一個token，再依次進行。

與此同時，這也帶來了一個根本性缺陷，即它將完整概念拆解為碎片，阻礙模型形成整體認知。

例如“ribonucleic acid”（核糖核酸），Llama 3分詞器就會將其拆解為：“rib”→“on”→“ucle”→“ic”→“acid”，當模型預測“rib”時，無法預見“onucleic acid”，因此無法理解這是一個生物學分子概念。

又比如說將“北京大學”拆成“北”、“京”、“大”、“學”分開記憶，這嚴重破壞了語義完整性。

所以next-token prediction存在前瞻能力差、不擅長處理跨概念的復雜推理、學習效率低、結果高度依賴具體分詞器等問題。

Meta等機構對此提出可以在預訓練階段嘗試multi-token prediction，但同樣也面臨以下限制：

1. 預訓練成本過大，是微調(diào)階段的上千倍。
2. 僅能提升通用語言能力，對具體概念理解幫助有限。
3. 直接應用于微調(diào)時會造成分布偏移，從而導致性能下降。

這讓multi-token prediction只適用于預訓練階段，難以普及，所以研究團隊提出了新技術CAFT，將multi-token prediction引入微調(diào)。

CAFT：打破瓶頸的概念感知微調(diào)方法

CAFT在架構上主要包括輔助頭、損失函數(shù)兩部分，輔助頭含獨立隱藏層，且共享輸出層，以降低參數(shù)成本，損失函數(shù)為：

其中L?指原始next-token損失，β是控制輔助損失的權重（設為0.01，確保主任務優(yōu)先），γ是反射正弦動態(tài)調(diào)整因子，訓練初期高，后期低，α是幾何衰減因子，越遠的token權重越小，t指token位置。

在微調(diào)結束后，還可以直接丟棄輔助頭，讓推理開銷為零。

CAFT采取分階段訓練策略，可分為兩個階段：

• 輔助頭預訓練

在原模型上添加n-1個輔助預測頭，然后使用通用指令數(shù)據(jù)集訓練輔助頭，分別預測第2、3、4…個未來token。

其中需要使用原模型自己生成的回答作為“偽標簽”，避免分布偏移，且輔助頭訓練一次即可，多任務可通用復用。

• 概念感知微調(diào)

在特定任務上同時優(yōu)化原始預測頭和輔助頭，然后用特殊設計的損失函數(shù)確保主目標仍是第一個token。

利用動態(tài)權重調(diào)整策略，訓練初期關注多token概念學習，后期聚焦任務表現(xiàn)。

最終CAFT可實現(xiàn)極低的使用門檻，只需要幾行代碼，就能結合任意預訓練模型，在成本上遠低于重新預訓練，只略高于傳統(tǒng)微調(diào)。

CAFT的全面驗證：從代碼到生命科學

研究團隊在五個不同領域任務上測試了CAFT，將其與傳統(tǒng)的next-token微調(diào)（包括全量微調(diào)與LoRA微調(diào)）進行對比。

所有結果均為5次獨立評估的平均值及95%置信區(qū)間，部分任務在微調(diào)前會對輔助頭進行1個epoch的預訓練。

在編程任務中，由于存在大量跨token的語義單元，例如Python中的“_name_”會被分為“_”、“name”、“_”三個token，但需整體理解，所以借助HumanEval數(shù)據(jù)集，判斷CAFT能否讓模型能夠整體理解這類編程概念。

實驗結果表明，LoRA CAFT在準確率上從40.9%提升至45.1%，F(xiàn)ull CAFT則從40.5%提升到49.3%。

然后將題目按概念密度分類，發(fā)現(xiàn)CAFT在高概念密集題目上提升更顯著（+11.67%vs+7.59%），證實了概念學習的有效性。

在數(shù)學推理上，LoRA CAFT在MATH-500數(shù)據(jù)集里性能提升了1.7%（22.9%到24.6%），F(xiàn)ull CAFT則是1.5%（23.7%到25.2%）。

而當CAFT置于臨床文本中，由于醫(yī)學文本充滿復雜專業(yè)術語，被拆分后往往失去意義，此時讓CAFT完成醫(yī)學術語整體理解極具挑戰(zhàn)性。

但CAFT仍然在MIMIC-IV-BHC數(shù)據(jù)集上表現(xiàn)良好，在ROUGE等指標上全面優(yōu)于傳統(tǒng)方法，其中ROUGE-1從44.57提高到45.93，ROUGE-2從22.94提高到24.44，ROUGE-L從32.17提高到33.76，說明其能更好地捕捉長文本中的概念。

在官能團結構理解上，由于化學分子包含功能性“官能團”，如苯環(huán)、酰胺基團等，而SMILES序列中的官能團是典型的多token概念，傳統(tǒng)方法很難整體學習。

CAFT可以很好地彌補這一點，準確匹配率從原來的0.14%，提升了4倍，到0.54%，有效分子比例從92.38%改進到97.14%，結構相似性也得到了顯著改善。

進一步進行官能團學習驗證，發(fā)現(xiàn)苯環(huán)識別中F1分數(shù)大幅提升、酰胺識別中準確率和召回率雙重改善、羧酸識別中復雜分子的識別能力增強。

另外為考驗CAFT泛化能力，讓CAFT根據(jù)功能設計蛋白質序列，由于蛋白質使用氨基酸編碼，與自然語言差異極大，測試環(huán)境相當極限。

實驗結果顯示，序列同一性從20.32%提升到22.14%，序列對比分數(shù)也從原來的負值（-16.01）提升到正值(3.18)，結構置信度從52.60變?yōu)?4.30，結構相似性從33.07%變?yōu)?5.12%。

其中，25.0%的生成序列具有高結構置信度(>70)，比傳統(tǒng)方法的20.0%有了顯著提升。

最終，研究團隊通過在廣泛領域中實驗，驗證了CAFT實現(xiàn)multi-token prediction在微調(diào)階段的可行性，其易用性和低成本也展示了其可能替代現(xiàn)有next-token prediction的巨大潛力，為理解模型內(nèi)部機制提供了新視角。

論文鏈接：https://www.arxiv.org/abs/2506.07833

項目鏈接： https://github.com/michaelchen-lab/caft-llm