为什么现在的LLM都是Decoder-only的架构？

LLM是“Large Language Model”的简写，目前一般指百亿参数以上的语言模型，主要面向文本生成任务。跟小尺度模型（10亿或以内量级）的“百花齐放”不同，目前LLM的一个现状是Decoder-only架构的研究居多，像OpenAI一直坚持Decoder-only的GPT系列就不说了，即便是Google这样的并非全部押注在Decoder-only的公司，也确实投入了不少的精力去研究Decoder-only的模型，如PaLM就是其中之一。那么，为什么Decoder-only架构会成为LLM的主流选择呢？

知乎上也有同款问题《为什么现在的LLM都是Decoder only的架构？》，上面的回答大多数聚焦于Decoder-only在训练效率和工程实现上的优势，那么它有没有理论上的优势呢？本文试图从这个角度进行简单的分析。

统一视角 #

需要指出的是，笔者目前训练过的模型，最大也就是10亿级别的，所以从LLM的一般概念来看是没资格回答这个问题的，下面的内容只是笔者根据一些研究经验，从偏理论的角度强行回答一波。文章多数推论以自己的实验结果为引，某些地方可能会跟某些文献的结果冲突，请读者自行取舍。

我们知道，一般的NLP任务都是根据给定的输入来预测输出，完全无条件的随机生成是很少的，换句话说，任何NLP任务都可以分解为“输入”跟“输出”两部分，我们可以把处理“输入”的模型叫做Encoder，生成“输出”的模型叫做Decoder，那么所有任务都可以从“Encoder-Decoder”的视角来理解，而不同模型之间的差距在于Encoder、Decoder的注意力模式以及是否共享参数：
$$\begin{array}{c|ccc}
\hline
& \text{Encoder注意力} & \text{Decoder注意力} & \text{是否共享参数} \\
\hline
\text{GPT} & \text{单向} & \text{单向} & \text{是} \\
\text{UniLM} & \text{双向} & \text{单向} & \text{是} \\
\text{T5} & \text{双向} & \text{单向} & \text{否} \\
\hline
\end{array}$$
这里的GPT就是Decoder-only的代表作；UniLM则是跟GPT相似的Decoder架构，但它是混合的注意力模式；T5则是Encoder-Decoder架构的代表作，主要是Google比较感兴趣。

Google在T5和UL2两篇论文中做了较为充分的对比实验，结果均体现出了Encoder-Decoder架构相比于Decoder-only的优势，但由于从LLM的角度看这两篇论文的模型尺度都还不算大，以及多数的LLM确实都是在做Decoder-only的，所以这个优势能否延续到更大尺度的LLM以及这个优势本身的缘由，依然都还没有答案。

对比实验 #

从上表可以看出，其实GPT跟UniLM相比才算是严格控制变量的，如果GPT直接跟T5相比，那实际上产生了两个变量：输入部分的注意力改为双向以及参数翻了一倍。而之所以会将它们三个一起对比，是因为它们的推理成本大致是相同的。

相比GPT，既然T5有两个变量，那么我们就无法确定刚才说的Encoder-Decoder架构的优势，究竟是输入部分改为双向注意力导致的，还是参数翻倍导致的。为此，笔者在10亿参数规模的模型上做了GPT和UniLM的对比实验，结果显示对于同样输入输出进行从零训练（Loss都是只对输出部分算，唯一的区别就是输入部分的注意力模式不同），UniLM相比GPT并无任何优势，甚至某些任务更差。

假设这个结论具有代表性，那么我们就可以初步得到结论：

输入部分的注意力改为双向不会带来收益，Encoder-Decoder架构的优势很可能只是源于参数翻倍。

换句话说，在同等参数量、同等推理成本下，Decoder-only架构很可能是最优选择。当然，要充分验证这个猜测，还需要补做一些实验，比如Encoder和Decoder依然不共享参数，但Encoder也改为单向注意力，或者改为下一节介绍的正反向混合注意力，然后再对比常规的Encoder-Decoder架构。但笔者的算力有限，这些实验就留给有兴趣的读者了。

低秩问题 #

为什么“输入部分的注意力改为双向不会带来收益”呢？明明输入部分不需要考虑自回归生成，直觉上应该完整的注意力矩阵更好呀？笔者猜测，这很可能是因为双向注意力的低秩问题带来的效果下降。

众所周知，Attention矩阵一般是由一个低秩分解的矩阵加softmax而来，具体来说是一个$n\times d$的矩阵与$d\times n$的矩阵相乘后再加softmax（$n\gg d$），这种形式的Attention的矩阵因为低秩问题而带来表达能力的下降，具体分析可以参考《Attention is Not All You Need: Pure Attention Loses Rank Doubly Exponentially with Depth》。而Decoder-only架构的Attention矩阵是一个下三角阵，注意三角阵的行列式等于它对角线元素之积，由于softmax的存在，对角线必然都是正数，所以它的行列式必然是正数，即Decoder-only架构的Attention矩阵一定是满秩的！满秩意味着理论上有更强的表达能力，也就是说，Decoder-only架构的Attention矩阵在理论上具有更强的表达能力，改为双向注意力反而会变得不足。

还有个间接支持这一观点的现象，那就是线性Attention在语言模型任务上（单向注意力）与标准Attention的差距，小于它在MLM任务上（双向注意力）与标准Attention的差距，也就是说，线性Attention在双向注意力任务上的效果相对更差。这是因为线性Attention在做语言模型任务时，它的Attention矩阵跟标准Attention一样都是满秩的下三角阵；在做MLM任务时，线性Attention矩阵的秩比标准Attention矩阵更低（线性Attention是$n\times d$的矩阵与$d\times n$的矩阵相乘，秩一定不超过$d$，标准Attention是$n\times d$的矩阵与$d\times n$的矩阵相乘后加softmax，softmax会有一定的升秩作用，参考《Transformer升级之路：3、从Performer到线性Attention》中的“低秩问题”一节及评论区）。

反过来，这个结论能不能用来改进像BERT这样的双向注意力模型呢？思路并不难想，比如在Multi-Head Attention中，一半Head的Attention矩阵截断为下三角阵（正向注意力），另一半Head的Attention矩阵截断为上三角阵（反向注意力）；又或者说奇数层的Attention矩阵截断为下三角阵（正向注意力），偶数层的Attention矩阵截断为上三角阵（反向注意力）。这两种设计都可以既保持模型整体交互的双向性（而不是像GPT一样，前一个token无法跟后一个token交互），又融合单向注意力的满秩优点。

笔者也简单做了对比实验，发现正反向混合的注意力在MLM任务上是比像BERT这样的全双向注意力模型效果稍微要好点的：

好消息是看得出略有优势，间接支持了前面的猜测；坏消息是这实验的只是一个base版本（1亿参数）的模型，更大模型的效果尚未清楚。

文章小结 #

所以，笔者作出的回答是：LLM之所以主要都用Decoder-only架构，除了训练效率和工程实现上的优势外，在理论上是因为Encoder的双向注意力会存在低秩问题，这可能会削弱模型表达能力，就生成任务而言，引入双向注意力并无实质好处。而Encoder-Decoder架构之所以能够在某些场景下表现更好，大概只是因为它多了一倍参数。所以，在同等参数量、同等推理成本下，Decoder-only架构就是最优选择了。

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