科学空间|Scientific Spaces

前几天，笔者看了几篇介绍SSM（State Space Model）的文章，才发现原来自己从未认真了解过SSM，于是打算认真去学习一下SSM的相关内容，顺便开了这个新坑，记录一下学习所得。

SSM的概念由来已久，但这里我们特指深度学习中的SSM，一般认为其开篇之作是2021年的S4，不算太老，而SSM最新最火的变体大概是去年的Mamba。当然，当我们谈到SSM时，也可能泛指一切线性RNN模型，这样RWKV、RetNet还有此前我们在《Google新作试图“复活”RNN：RNN能否再次辉煌？》介绍过的LRU都可以归入此类。不少SSM变体致力于成为Transformer的竞争者，尽管笔者并不认为有完全替代的可能性，但SSM本身优雅的数学性质也值得学习一番。

尽管我们说SSM起源于S4，但在S4之前，SSM有一篇非常强大的奠基之作《HiPPO: Recurrent Memory with Optimal Polynomial Projections》（简称HiPPO），所以本文从HiPPO开始说起。

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我们知道，在RoPE中频率的计算公式为$\theta_i = b^{-2i/d}$，底数$b$默认值为10000。目前Long Context的主流做法之一是，先在$b=10000$上用短文本预训练，然后调大$b$并在长文本微调，其出发点是《Transformer升级之路：10、RoPE是一种β进制编码》里介绍的NTK-RoPE，它本身有较好长度外推性，换用更大的$b$再微调相比不加改动的微调，起始损失更小，收敛也更快。该过程给人的感觉是：调大$b$完全是因为“先短后长”的训练策略，如果一直都用长文本训练似乎就没必要调大$b$了？

上周的论文《Base of RoPE Bounds Context Length》试图回答这个问题，它基于一个期望性质研究了$b$的下界，由此指出更大的训练长度本身就应该选择更大的底数，与训练策略无关。整个分析思路颇有启发性，接下来我们一起来品鉴一番。

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前面我们用两篇文章《重温SSM（一）：线性系统和HiPPO矩阵》和《重温SSM（二）：HiPPO的一些遗留问题》介绍了HiPPO的思想和推导——通过正交函数基对持续更新的函数进行实时逼近，其拟合系数的动力学正好可以表示为一个线性ODE系统，并且对于特定的基底以及逼近方式，我们可以将线性系统的关键矩阵精确地算出来。此外，我们还讨论了HiPPO的离散化和相关性质等问题，这些内容奠定了后续的SSM工作的理论基础。

接下来，我们将介绍HiPPO的后续应用篇《Efficiently Modeling Long Sequences with Structured State Spaces》（简称S4），它利用HiPPO的推导结果作为序列建模的基本工具，并从新的视角探讨了高效的计算和训练方式，最后在不少长序列建模任务上验证了它的有效性，可谓SSM乃至RNN复兴的代表作之一。

基本框架

S4使用的序列建模框架，是如下的线性ODE系统：
\begin{equation}\begin{aligned}
x'(t) =&\, A x(t) + B u(t) \\
y(t) =&\, C^* x(t) + D u(t)
\end{aligned}\end{equation}

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在前三篇文章中，我们较为详细地讨论了HiPPO和S4的大部分数学细节。那么，对于接下来的第四篇文章，大家预期我们会讨论什么工作呢？S5、Mamba乃至Mamba2？都不是。本系列文章主要关心SSM的数学基础，旨在了解SSM的同时也补充自己的数学能力。而在上一篇文章我们简单提过S5和Mamba，S5是S4的简化版，相比S4基本上没有引入新的数学技巧，而Mamba系列虽然表现优异，但它已经将$A$简化为对角矩阵，所用到的数学技巧就更少了，它更多的是体现了工程方面的能力。

这篇文章我们来学习一篇暂时还声名不显的新工作《State-Free Inference of State-Space Models: The Transfer Function Approach》（简称RFT），它提出了一个新方案，将SSM的训练、推理乃至参数化，都彻底转到了生成函数空间中，为SSM的理解和应用开辟了新的视角

基础回顾

首先我们简单回顾一下上一篇文章关于S4的探讨结果。S4基于如下线性RNN
\begin{equation}\begin{aligned}
x_{k+1} =&\, \bar{A} x_k + \bar{B} u_k \\
y_{k+1} =&\, \bar{C}^* x_{k+1} \\
\end{aligned}\label{eq:linear}\end{equation}

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众所周知，LoRA是一种常见的参数高效的微调方法，我们在《梯度视角下的LoRA：简介、分析、猜测及推广》做过简单介绍。LoRA利用低秩分解来降低微调参数量，节省微调显存，同时训练好的权重可以合并到原始权重上，推理架构不需要作出改变，是一种训练和推理都比较友好的微调方案。此外，我们在《配置不同的学习率，LoRA还能再涨一点？》还讨论过LoRA的不对称性，指出给$A,B$设置不同的学习率能取得更好的效果，该结论被称为“LoRA+”。

为了进一步提升效果，研究人员还提出了不少其他LoRA变体，如AdaLoRA、rsLoRA、DoRA、PiSSA等，这些改动都有一定道理，但没有特别让人深刻的地方觉。然而，前两天的《LoRA-GA: Low-Rank Adaptation with Gradient Approximation》，却让笔者眼前一亮，仅扫了摘要就有种必然有效的感觉，仔细阅读后更觉得它是至今最精彩的LoRA改进。

究竟怎么个精彩法？LoRA-GA的实际含金量如何？我们一起来学习一下。

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在矩阵压缩这个问题上，我们通常有两个策略可以选择，分别是低秩化和稀疏化。低秩化通过寻找矩阵的低秩近似来减少矩阵尺寸，而稀疏化则是通过减少矩阵中的非零元素来降低矩阵的复杂性。如果说SVD是奔着矩阵的低秩近似去的，那么相应地寻找矩阵稀疏近似的算法又是什么呢？

接下来我们要学习的是论文《Monarch: Expressive Structured Matrices for Efficient and Accurate Training》，它为上述问题给出了一个答案——“Monarch矩阵”，这是一簇能够分解为若干置换矩阵与稀疏矩阵乘积的矩阵，同时具备计算高效且表达能力强的特点，论文还讨论了如何求一般矩阵的Monarch近似，以及利用Monarch矩阵参数化LLM来提高LLM速度等内容。

Monarch矩阵形式M=PLPR

值得指出的是，该论文的作者也正是著名的Flash Attention的作者Tri Dao，其工作几乎都在致力于改进LLM的性能，这篇Monarch也是他主页上特意展示的几篇论文之一，单从这一点看就非常值得学习一番。

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前两周笔者写了《对齐全量微调！这是我看过最精彩的LoRA（一）》（当时还没有编号“一”），里边介绍了一个名为“LoRA-GA”的LoRA变体，它通过梯度SVD来改进LoRA的初始化，从而实现LoRA与全量微调的对齐。当然，从理论上来讲，这样做也只能尽量对齐第一步更新后的$W_1$，所以当时就有读者提出了“后面的$W_2,W_3,\cdots$不管了吗？”的疑问，当时笔者也没想太深入，就单纯觉得对齐了第一步后，后面的优化也会严格一条较优的轨迹走。

有趣的是，LoRA-GA才出来没多久，arXiv上就新出了《LoRA-Pro: Are Low-Rank Adapters Properly Optimized?》，其所提的LoRA-Pro正好能回答这个问题！LoRA-Pro同样是想着对齐全量微调，但它对齐的是每一步梯度，从而对齐整条优化轨迹，这正好是跟LoRA-GA互补的改进点。

对齐全量

本文接着上一篇文章的记号和内容进行讲述，所以这里仅对上一节的内容做一个简单回顾，不再详细重复介绍。LoRA的参数化方式是
\begin{equation}W = (W_0 - A_0 B_0) + AB\end{equation}

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可能很多读者跟笔者一样，对矩阵的低秩近似有种熟悉而又陌生的感觉。熟悉是因为，低秩近似的概念和意义都不难理解，加之目前诸如LoRA等基于低秩近似的微调技术遍地开花，让低秩近似的概念在耳濡目染间就已经深入人心；然而，低秩近似所覆盖的内容非常广，在低秩近似相关的论文中时常能看到一些不熟悉但又让我们叹为观止的新技巧，这就导致了一种似懂非懂的陌生感。

因此，在这个系列文章中，笔者将试图系统梳理一下矩阵低秩近似相关的理论内容，以补全对低秩近似的了解。而在第一篇文章中，我们主要介绍低秩近似系列中相对简单的一个概念——伪逆。

优化视角

伪逆（Pseudo Inverse），也称“广义逆（Generalized Inverse）”，顾名思义就是“广义的逆矩阵”，它实际上是“逆矩阵”的概念对于不可逆矩阵的推广。

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