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图灵奖得主Yoshua Bengio新作：Were RNNs All We Needed?

机关注大模型的约 8 分钟
机器之心报道

编辑：佳琪、蛋酱

自从 Transformer 模型问世以来，试图挑战其在自然语言处理地位的挑战者层出不穷。

这次登场的选手，不仅要挑战 Transformer 的地位，还致敬了经典论文的名字。
再看这篇论文的作者列表，图灵奖得主、深度学习三巨头之一的 Yoshua Bengio 赫然在列。

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  • 论文标题：Were RNNs All We Needed?
  • 论文地址：https://arxiv.org/pdf/2410.01201v1
最近，大家重新对用循环序列模型来解决 Transformer 长上下文的问题产生了兴趣，出现了一大批有关成果，其中 Mamba 的成功引爆了 AI 圈，更是点燃了大家的研究热情。
Bengio 和他的研究团队发现，这些新的序列模型有很多共同点，于是他们重新审视了 LSTM 和 GRU 这两种经典 RNN 模型。
结果发现，精简掉其中的隐藏状态依赖之后，不再需要基于时间反向传播的 LSTM 和 GRU 的表现就能和 Transformer 打个平手。
LSTM 和 GRU 仅能顺序处理信息，并且在训练时依赖反向传播，这使得它们在处理大量数据时速度缓慢，最终被淘汰。
基于以上发现，他们进一步简化了 LSTM 和 GRU，去掉了它们对输出范围的限制，并确保它们的输出在时间上是独立的，进而得到了 minLSTM 和 minGRU。
相比传统 RNN，它们不仅训练时所需的参数显著减少，还可以并行训练，比如上下文长度为 512 时，速度能提升 175 倍。
这其实也是 Bengio 长期关注 RNN 的系列研究成果。在今年五月，Bengio 及其研究团队和加拿大皇家银行 AI 研究所 Borealis AI 合作发布了一篇名为《Attention as an RNN》的论文。
正如论文名字所示，他们将注意力机制重新诠释为一种 RNN，引入了一种基于并行前缀扫描（prefix scan）算法的新的注意力公式，该公式能够高效地计算注意力的多对多（many-to-many）RNN 输出。基于新公式的模块 Aaren，不仅可以像 Transformer 一样并行训练，还可以像 RNN 一样高效更新。
更多详情，可以参见机器之心之前的报道：《Bengio 等人新作：注意力可被视为 RNN，新模型媲美 Transformer，但超级省内存》
简化 LSTM 和 GRU
在这一部分，研究者通过简化和移除各种门中的若干隐藏状态依赖关系，证明 GRU 和 LSTM 可通过并行扫描进行训练。
在此基础上，研究者进一步简化了这些 RNN，消除了它们对输出范围的限制（即 tanh），并确保输出在规模上与时间无关。
综合上述步骤，研究者提出了 GRUs 和 LSTMs 的最小版本（minGRUs 和 minLSTMs），它们可通过并行扫描进行训练，且性能可与 Transformers 和最近提出的序列方法相媲美。
minGRU
研究者结合了两个简化步骤，得到了一个极简版的 GRU（minGRU）。

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由此产生的模型比原始 GRU 效率大大提高，只需要 Image 个参数，而不是 GRU 的 Image 个参数（其中 d_x 和 d_h 分别对应于 x_t 和 h_t 的大小）。在训练方面，minGRU 可以使用并行扫描算法进行并行训练，从而大大加快训练速度。
在实验部分，研究者展示了在 T4 GPU 上，当序列长度为 512 时，训练步骤的速度提高了 175 倍。参数效率的提高也非常显著。通常，在 RNN 中会进行状态扩展（即 Image ，其中 α ≥ 1），使模型更容易从输入中学习特征。
minLSTM
研究者结合了三个简化步骤，得到 LSTM 的最小版本（minLSTM）：

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与 LSTM 的 Image 相比，最小版本（minLSTM）的效率明显更高，只需要 Image 个参数。此外，minLSTM 可以使用并行扫描算法进行并行训练，大大加快了训练速度。例如，在 T4 GPU 上，对于长度为 512 的序列，minLSTM 比 LSTM 加快了 235 倍。在参数效率方面，当 α = 1、2、3 或 4（其中 Image）时，与 LSTM 相比，minLSTM 仅使用了 38%、25%、19% 或 15% 的参数。
Were RNNs All We Needed?
在本节中，研究者将对最小版本（minLSTMs 和 minGRUs）与传统版本（LSTMs 和 GRUs）以及现代序列模型进行了比较。
Minimal LSTMs 和 GRU 非常高效
在测试时，循环序列模型会按顺序推出，从而使其推理更为高效。相反，传统 RNN 的瓶颈在于其训练，需要线性训练时间（通过时间反向传播），这导致其最终被淘汰。人们对循环序列模型重新产生兴趣，是因为许多新的架构可以高效地进行并行训练。
研究者对比了训练传统 RNN（LSTM 和 GRU）、它们的最小版本（minLSTM 和 minGRU）以及一种最新的序列模型所需的资源，还特别将重点放在与最近大受欢迎的 Mamba 的比较上。实验考虑了 64 的批大小，并改变了序列长度。研究者测量了通过模型执行前向传递、计算损失和通过后向传递计算梯度的总运行时间和内存复杂度。
运行时间。在运行时间方面（见图 1（左）），简化版 LSTM 和 GRU（minLSTM 和 minGRU）Mamba 的运行时间相近。对 100 次运行进行平均，序列长度为 512 的 minLSTM、minGRU 和 Mamba 的运行时间分别为 2.97、2.72 和 2.71 毫秒。
对于长度为 4096 的序列，运行时间分别为 3.41、3.25 和 3.15 毫秒。相比之下，传统的 RNN 对应程序（LSTM 和 GRU）所需的运行时间与序列长度成线性关系。对于 512 的序列长度，在 T4 GPU 上，minGRUs 和 minLSTMs 每个训练步骤的速度分别比 GRUs 和 LSTMs 快 175 倍和 235 倍（见图 1（中））。随着序列长度的增加，minGRUs 和 minLSTMs 的改进更为显著，在序列长度为 4096 时，minGRUs 和 minLSTMs 的速度分别提高了 1324 倍和 1361 倍。因此，在 minGRU 需要一天才能完成固定数量的 epoch 训练的情况下，其传统对应的 GRU 可能需要 3 年多的时间。

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内存。通过利用并行扫描算法高效地并行计算输出，minGRU、minLSTM 和 Mamba 创建了一个更大的计算图，因此与传统的 RNN 相比需要更多内存（见图 1（右））。与传统的 RNN 相比，最小变体（minGRU 和 minLSTM）多用了 88% 的内存。与 minGRU 相比，Mamba 多用了 56% 的内存。但实际上，运行时间是训练 RNN 的瓶颈。
删除 Image 的效果。最初的 LSTM 和 GRU 使用输入 x_t 和之前的隐藏状态 Image计算各种门电路。这些模型利用其与时间依赖的门来学习复杂函数。然而，minLSTM 和 minGRU 的训练效率是通过放弃门对之前隐藏状态 Image 的依赖性来实现的。因此，minLSTM 和 minGRU 的门仅与输入 x_t 依赖，从而产生了更简单的循环模块。因此，由单层 minLSTM 或 minGRU 组成的模型的栅极是与时间无关的，因为其条件是与时间无关的输入 Image。
然而，在深度学习中，模型是通过堆叠模块构建的。虽然第一层的输入 Image 与时间无关，但其输出 Image 与时间有关，并被用作第二层的输入，即 Image。因此，从第二层开始，minLSTM 和 minGRU 的门也将随时间变化，从而建立更复杂的函数模型。表 1 比较了不同层数的模型在 Mamba 论文中的选择性复制任务上的表现。可以立即看出时间依赖性的影响：将层数增加到 2 层或更多，模型的性能就会大幅提高。

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训练稳定性。层数的另一个影响是稳定性增强，随着层数的增加，准确率的差异减小（见表 1）。此外，虽然 minLSTM 和 minGRU 都能解决选择性复制任务，但可以看到 minGRU 是一种经验上比 minLSTM 更稳定的方法，它能以更高的一致性和更低的方差解决该任务。在训练过程中，这两组参数的调整方向不同，使得比率更难控制和优化。相比之下，minGRU 的信息丢弃和添加由单组参数（更新门）控制，因此更容易优化。
Minimal LSTMs 和 GRUs 表现良好
上述内容展示了简化传统 RNN 所带来的显著效率提升。这部分将探讨最小版本的 LSTM 和 GRU 与几种流行的序列模型相比的经验性能。
选择性复制。此处考虑 Mamba 论文中的长序列选择性复制任务。与最初的复制任务不同，选择性复制任务的输入元素相对于输出元素是随机间隔的，这增加了任务的难度。为了解决这个任务，模型需要进行内容感知推理，记忆依赖的 token 并过滤掉不依赖的 token。
表 2 将简化版的 LSTM 和 GRU（minLSTM 和 minGRU）与可以并行训练的著名循环序列模型进行了比较：S4、H3、Hyena 和 Mamba (S6)。这些基线的结果引自 Mamba 论文。在所有这些基线中，只有 Mamba 论文中的 S6 能够解决这一任务。minGRU 和 minLSTM 也能解决选择性复制任务，其性能与 S6 相当，并优于所有其他基线。LSTM 和 GRU 利用内容感知门控机制，使得这些最小版本足以解决许多热门序列模型无法解决的这一任务。

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强化学习。接下来，研究者讨论了 D4RL 基准中的 MuJoCo 运动任务。具体来说考虑了三种环境：HalfCheetah、Hopper 和 Walker。对于每种环境，模型都在三种不同数据质量的数据集上进行训练：中等数据集（M）、中等游戏数据集（M-R）和中等专家数据集（M-E）。
表 3 将 minLSTM 和 minGRU 与各种 Decision Transformer 变体进行了比较，包括原始 Decision Transformer (DT)、Decision S4 (DS4)、Decision Mamba 和（Decision）Aaren。minLSTM 和 minGRU 的性能优于 Decision S4，与 Decision Transformer、Aaren 和 Mamba 相比也不遑多让。与其他循环方法不同，Decision S4 是一种循环转换不感知输入的模型，这影响了其性能。从 3 × 3 = 9 个数据集的平均得分来看，minLSTM 和 minGRU 优于所有基线方法，只有 Decision Mamba 的差距很小。

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语言建模。研究者使用 nanoGPT 框架对莎士比亚作品进行字符级 GPT 训练。图 2 用交叉熵损失绘制了学习曲线，将所提出的最小 LSTM 和 GRU（minLSTM 和 minGRU）与 Mamba 和 Transformers 进行了比较。结果发现，minGRU、minLSTM、Mamba 和 Transformers 的测试损失相当，分别为 1.548、1.555、1.575 和 1.547。Mamba 的表现略逊于其他模型，但训练速度更快，尤其是在早期阶段，在 400 步时达到最佳表现，而 minGRU 和 minLSTM 则分别持续训练到 575 步和 625 步。相比之下，Transformers 的训练速度明显较慢，需要比 minGRU 多 2000 步（∼ 2.5 倍）的训练步骤才能达到与 minGRU 相当的性能，这使得它的训练速度明显更慢，资源消耗也更大（与 minGRU、minLSTM 和 Mamba 的线性复杂度相比，Transformers 的复杂度为二次方）。

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更多研究细节，可参考原论文。
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