松琳解读 DeepSeek、Kimi 与 MiniMax 的注意力机制

从动态稀疏注意力到线性混合架构,理解长上下文模型如何在效果、内存访问和硬件效率之间取舍。

SYSonglin Yang(松琳)게스트 · MIT CSAIL
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Zhang Xiaojun Podcast
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2025년 2월 23일
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요약

30초 요약

2025 年 2 月,张小珺邀请 MIT CSAIL 博士生松琳讲解 DeepSeek 的 Native Sparse Attention、Kimi 的 MoBA 和 MiniMax-01。前两者动态选择注意力块,后者结合线性注意力和 softmax 注意力。 松琳从 query、key、value 和分组查询讲到 GPU 内存、分块内核与循环状态,比较各论文的设计哲学、实验和局限。不同论文的训练条件并不相同,跨模型比较需要谨慎。

  1. 1两种路线DeepSeek 与 Kimi 研究动态稀疏注意力,MiniMax 将线性注意力与 softmax 注意力混合。
  2. 2NSA 的三分支压缩、选块和滑窗分别提供粗粒度、细粒度与局部信息。
  3. 3共享与读取组内共享 KV 块选择可减少内存读取,也会限制选择自由。
  4. 4MoBA 的简洁设计均值池化和块选择减少额外结构,但索引重排与训练信号仍有代价。
  5. 5线性注意力的状态历史键值信息可以写成固定大小的矩阵状态,供后续查询读取。
  6. 6比较需要条件一致模型数据、规模与实现不同,公开结果不能直接用于全面排名。

핵심 정리

  1. 动态稀疏注意力按查询选择历史块,减少不必要的注意力计算。
  2. NSA 结合压缩、块选择和滑窗,并针对共享 KV 和硬件执行进行优化。
  3. MoBA 的简洁块选择需要权衡索引开销、块粒度和训练信号。
  4. 线性注意力可用固定大小的循环状态表达,但检索能力可能受到限制。
  5. 混合架构结合线性与 softmax 注意力,试图兼顾成本和检索能力。
  6. 理论复杂度之外,内存访问、矩阵乘法和实现细节决定实际速度。
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01

长上下文与注意力基础

松琳介绍三篇论文和自注意力的计算开销,解释动态稀疏与线性注意力的区别。

张小珺邀请 MIT CSAIL 博士生松琳解读 DeepSeek、Kimi 和 MiniMax 的注意力论文。松琳介绍,自己的研究重点是硬件高效的序列建模,尤其是线性注意力。

长思维链能增加推理时的计算,但普通自注意力处理长序列的计算成本随长度平方增长,KV 缓存也随长度增长。三篇论文从不同方向尝试降低这些开销。

DeepSeek 和 Kimi 采用动态稀疏注意力:不同查询可以选择不同的键值块,而不是使用预先固定的稀疏模式。MiniMax 则将线性注意力与 softmax 注意力结合。

松琳先解释注意力:每个 token 产生 query、key 和 value;query 与允许访问的 key 计算分数,经过 softmax 后加权汇总相应的 value。自回归模型用因果掩码避免读取未来 token。

他认为长输入的预填充和逐 token 解码都需要优化。Kimi 面向长文档处理的需求使预填充成本尤其值得关注,而长推理过程也会放大解码效率的重要性。

02

DeepSeek NSA 的三条分支

他解释压缩、选择、滑窗和门控如何组合,再比较不同注意力头对 KV 的共享。

DeepSeek 的 Native Sparse Attention(NSA)着重让动态稀疏注意力能够高效预训练,并与硬件和推理架构配合。松琳认为,与只在推理时替换注意力的方法相比,从头训练是重要差别。

松琳介绍以 query 为依据选择键值块的思路:并非让每个位置都读取全部历史,而是根据当前查询选择可能有用的块。实际提速还取决于块的组织和内存读取方式。

NSA 的架构包含三个分支:压缩后的粗粒度注意力、选择少数块后做细粒度注意力,以及关注邻近 token 的滑动窗口。模型通过门控决定各分支对输出的贡献。

NSA 的三个注意力分支
슬라이드 1 / 5NSA 的三个注意力分支论文图示展示压缩、选择和滑窗分支,以及门控输出。

压缩分支为每个块生成表示并计算查询与块的相关性;选择分支再对得分较高的块进行更细的注意力计算。这样既保留全局概览,又不必对全部 token 执行细粒度计算。

滑动窗口分支利用语言中邻近 token 往往重要的特点。张小珺问三者如何平衡全局与局部信息,松琳回答:门控权重由模型学习,而不是人工固定比例。

他强调,压缩、块选择和滑动窗口的单个概念并非全部崭新;论文的重要贡献在于如何组合和实现它们,使训练和推理都能有效利用硬件。

为了说明分组查询注意力(GQA),松琳比较多头注意力和多查询注意力。后者让多个查询头共享 key、value,以减小推理时的 KV 缓存;GQA 在完全独立和完全共享之间折中。

在 GQA 中,如果同一组不同头选择不同的 KV 块,系统需要读取这些选择的并集。让组内各头共享选择,可以减少读取量,但也限制了各头各自选择的自由度。

NSA 对组内注意力分数进行汇总,再选择共享的块。松琳认为这是一项有意识的权衡:用较少的内存访问换取硬件效率,同时通过架构设计保持足够的表达能力。

03

硬件、内存与训练结果

从 FlashAttention 的分块到 NSA 的矩阵运算,讨论硬件效率与论文报告的实验。

他回顾 FlashAttention 的分块计算:把一部分 query、key、value 载入快速存储,在块内计算,减少中间结果与显存之间的往返。数学运算量之外,数据移动也是速度瓶颈。

动态稀疏模式带来新的问题:同一 query 块中的不同位置可能需要不同的 KV 块,直接沿用连续分块会读入并集,造成浪费。因此稀疏不自动等于硬件上更快。

NSA 利用共享 KV 的多个查询头,将它们打包成矩阵运算,既减少不必要的读取,又能利用 GPU 的 Tensor Core。松琳以此说明算法表达和硬件执行方式必须一起考虑。

矩阵乘法的尺寸也有约束。为了同时满足硬件计算和不同组之间的选择多样性,论文增加注意力头数量并扩大投影;松琳认为这是大胆但有目的的架构选择。

论文展示的训练损失和多项评测中,NSA 相对其 full attention 对照表现良好,部分结果更优。松琳对此很感兴趣,但这些结果应理解为论文给定实验设置下的比较。

他区分两种做法:先训练全注意力模型再在推理时近似,可能引入偏差;直接预训练稀疏结构则允许模型适应这种结构。是否更优仍需要在不同设置中验证。

NSA 的长上下文评测
슬라이드 2 / 5NSA 的长上下文评测论文表格展示 NSA 与若干基线在 LongBench 各项任务上的比较。

他还比较保留全部 KV 缓存与直接丢弃缓存的方法:被丢弃的信息将来可能再次有用。NSA 动态选择要读取的块,但不等于把未选中的历史永久删除。

论文的性能图比较了实现方式相近的内核。松琳指出长序列下的加速效果,并强调解码可能受内存带宽约束,实际收益依赖硬件、长度与具体实现。

在消融实验中,压缩分支不仅提供粗粒度信息,也能为块选择提供训练信号。松琳认为这个设计有助于端到端训练,不能只看被选中块的计算。

松琳把论文的创新更多归为工程和软硬件协同:既有概念经过改造,与共享 KV、分块读取和矩阵乘法配合。他特别欣赏内核设计。

张小珺问为什么称之为“硬件上的暴力美学”。松琳说,组内共享选择、增加注意力头和多个分支环环相扣,目的都是在硬件限制下兼顾速度和模型表现。

04

Kimi MoBA 的取舍

MoBA 使用简洁的块选择;松琳讨论重排开销、块粒度和微调中的训练信号。

第二篇是 Kimi 的 MoBA。松琳说,它同样依据查询选择块并支持预训练,但设计更简洁:用均值池化得到块表示,主要保留选择块后的注意力路径。

MoBA 没有 NSA 的压缩输出和滑窗输出分支,不同注意力头可以各自选择 KV 块。松琳认为这提供了设计简洁性和灵活性,也带来与 NSA 不同的实现代价。

为了复用 FlashAttention,MoBA 需要将选择同一 KV 块的 query 整理为连续张量。索引和重排本身有开销,块过小时,这部分成本可能变得明显。

他比较论文里的块大小设置,指出较大的块可能减少重排开销,却使选择粒度变粗;更细的块可能更灵活,但也增加调度和内存操作的负担。

MoBA 的监督微调遇到训练信号稀疏的问题:若损失只作用于回答部分,没有被选中的前缀块可能得不到足够梯度。论文通过在最后几层使用全注意力缓解这一问题。

由于 MoBA 的块选择不引入额外参数,它能比较方便地在稀疏和全注意力之间切换。松琳纠正自己对一项实验的最初理解:混合训练属于论文的消融研究。

Kimi 论文还测试了较长上下文,并介绍实际应用。松琳将两种设计概括为不同偏好:NSA 更强调软硬件配合,MoBA 更强调简洁;他认为直接判定谁全面更好仍需谨慎。

两种方法都希望加速训练和推理,但在不同长度和实现下收益不同。松琳提醒,连续块读取和矩阵运算是常见硬件原则,理论复杂度之外还要看实际实现。

05

MiniMax 的混合架构

他解释线性注意力的矩阵状态、循环形式和分块并行训练。

第三篇是 MiniMax-01。它采用混合架构:每七层 Lightning Attention 后接一层 softmax 注意力,重复组成 80 层。线性注意力是松琳自己的主要研究方向。

MiniMax-Text-01 混合架构
슬라이드 3 / 5MiniMax-Text-01 混合架构架构图展示线性注意力、softmax 注意力和专家模块的组合。

为解释线性注意力,他从去掉 softmax 的简化形式入手。利用乘法结合律,历史 key 和 value 的外积可以累加为矩阵状态,当前 query 再读取这个状态。

线性注意力的矩阵状态
슬라이드 4 / 5线性注意力的矩阵状态讲者的幻灯片用结合律说明如何将历史键值信息累积为矩阵状态。

这个状态可以写成循环神经网络的隐藏状态:每一步把新的键值信息合入固定大小的矩阵。与逐步保存完整历史的 KV 缓存不同,历史被压缩到状态中。

松琳用矩阵状态与传统向量状态对比记忆容量,并指出状态扩展也需要硬件效率。理论上的线性复杂度不保证训练时就能充分利用 GPU。

直接按 token 循环计算限制并行度,也难以使用高效矩阵乘法;直接按全序列计算又可能出现平方开销。分块形式试图结合两者的优点。

分块算法先将序列分成若干 chunk:历史信息通过块间状态传递,块内贡献并行计算。松琳强调,这里的改写在数学上是等价形式,而不是必须丢失信息的近似。

每个块可以将多个 token 的状态更新打包成矩阵乘法;同一块中的查询也可以批量读取此前状态。这样设计让线性注意力更容易利用当前 GPU 的计算单元。

分块状态更新
슬라이드 5 / 5分块状态更新幻灯片展示块内矩阵运算与块间状态传递。

松琳指出,固定块大小时,该训练方法避免对整个序列构造平方大小的交互。他提到长视频序列是可能的应用,但实际效果仍取决于任务与实现。

他介绍 Flash Linear Attention 开源库,其中实现了多种硬件高效的线性注意力模型。块计算之外,输入输出和内存访问也需要专门优化。

06

线性注意力与检索

松琳比较衰减、循环模型和全注意力,分析混合架构及其工程扩展。

早期线性注意力常因语言建模表现受到质疑。松琳认为加入衰减或门控改善了表现,并比较 Lightning Attention 的固定衰减与按数据调整衰减的做法。

他从线性注意力视角解释 Mamba-2,认为一些看似不同的循环、并行和分块表达可以联系起来。不同模型仍有各自的参数化和设计选择。

混合架构希望结合两类能力:固定大小的循环状态有利于压缩历史,全注意力保留键值缓存,更适合按需检索细节。松琳把后者比作需要时翻书。

纯循环或线性注意力在精确检索任务上可能受固定状态容量限制,加入部分 softmax 注意力层有机会补足这一弱点。他还讨论循环结构可能提供位置相关信息。

MiniMax 的混合模型仍有少量全注意力层,因此长序列成本并非完全消失,但大量线性层可以减少相关开销。松琳认为论文展示了把混合架构扩展到大模型的可行性。

他认为分块算法、专家并行、流水线和其他工程优化共同支持了扩展。已有较小规模的混合模型研究也提供了先例,MiniMax 的贡献之一是把路线推到更大规模。

张小珺问三种方法谁承担的架构风险更大。松琳认为保留 KV 缓存的动态稀疏路线相对容易让人接受,而线性与全注意力混合虽然已有先例,扩展到大规模仍要面对检索等疑虑。

07

比较、开放研究与未来

他强调跨模型比较的限制,分享对论文开放、架构创新及研究方向的看法。

他提醒,不同模型的训练数据、规模和实验条件并不一致,因此很难仅凭公开结果判断哪家架构最好。更公平的结论需要在相同环境下进行更广泛的比较。

谈到公司发表论文和开放技术,松琳认为这可以建立技术影响力,也帮助后来者形成社区。他对具体商业收益的判断是个人观点。

在三篇工作中,他最喜欢 NSA:它让动态稀疏注意力可以高效训练,而且在论文的对照实验中展示了有竞争力的效果。Kimi 的简洁设计也令他印象深刻。

展望架构研究,他提到位置编码、稀疏注意力、线性注意力以及长卷积等方向。研究热点可能反复起落,需要持续用实验检验,而不是仅凭一时热度决定。

最后,松琳认为中国团队技术进展可能增加其对海外研究人才的吸引力。张小珺以邀请听众继续讨论结束节目。

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