科学空间|Scientific Spaces

盘点主流的图像扩散模型作品，我们会发现一个特点：当前多数做高分辨率图像生成（下面简称“大图生成”）的工作，都是先通过Encoder变换到Latent空间进行的（即LDM，Latent Diffusion Model），直接在原始Pixel空间训练的扩散模型，大多数分辨率都不超过64*64，而恰好，LDM通过AutoEncoder变换后的Latent，大小通常也不超过64*64。这就自然引出了一系列问题：扩散模型是不是对于高分辨率生成存在固有困难？能否在Pixel空间直接生成高分辨率图像？

论文《Simple diffusion: End-to-end diffusion for high resolution images》尝试回答了这个问题，它通过“信噪比”分析了大图生成的困难，并以此来优化noise schdule，同时提出只需在最低分辨率feature上对架构进行scale up、多尺度Loss等技巧来保证训练效率和效果，这些改动使得原论文成功在Pixel空间上训练了分辨率高达1024*1024的图像扩散模型。

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上一篇文章《生成扩散模型漫谈（二十二）：信噪比与大图生成（上）》中，我们介绍了通过对齐低分辨率的信噪比来改进noise schedule，从而改善直接在像素空间训练的高分辨率图像生成（大图生成）的扩散模型效果。而这篇文章的主角同样是信噪比和大图生成，但做到了更加让人惊叹的事情——直接将训练好低分辨率图像的扩散模型用于高分辨率图像生成，不用额外的训练，并且效果和推理成本都媲美直接训练的大图模型！

这个工作出自最近的论文《Upsample Guidance: Scale Up Diffusion Models without Training》，它巧妙地将低分辨率模型上采样作为引导信号，并结合了CNN对纹理细节的平移不变性，成功实现了免训练高分辨率图像生成。

思想探讨

我们知道，扩散模型的训练目标是去噪（Denoise，也是DDPM的第一个D）。按我们的直觉，去噪这个任务应该是分辨率无关的，换句话说，理想情况下低分辨率图像训练的去噪模型应该也能用于高分辨率图像去噪，从而低分辨率的扩散模型应该也能直接用于高分辨率图像生成。

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如何减少采样步数同时保证生成质量，是扩散模型应用层面的一个关键问题。其中，《生成扩散模型漫谈（四）：DDIM = 高观点DDPM》介绍的DDIM可谓是加速采样的第一次尝试。后来，《生成扩散模型漫谈（五）：一般框架之SDE篇》、《生成扩散模型漫谈（五）：一般框架之ODE篇》等所介绍的工作将扩散模型与SDE、ODE联系了起来，于是相应的数值积分技术也被直接用于扩散模型的采样加速，其中又以相对简单的ODE加速技术最为丰富，我们在《生成扩散模型漫谈（二十一）：中值定理加速ODE采样》也介绍过一例。

这篇文章我们介绍另一个特别简单有效的加速技巧——Skip Tuning，出自论文《The Surprising Effectiveness of Skip-Tuning in Diffusion Sampling》，准确来说它是配合已有的加速技巧使用，来一步提高采样质量，这就意味着在保持相同采样质量的情况下，它可以进一步压缩采样步数，从而实现加速。

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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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书接上文，在上一篇文章《重温SSM（一）：线性系统和HiPPO矩阵》中，我们详细讨论了HiPPO逼近框架其HiPPO矩阵的推导，其原理是通过正交函数基来动态地逼近一个实时更新的函数，其投影系数的动力学正好是一个线性系统，而如果以正交多项式为基，那么线性系统的核心矩阵我们可以解析地求解出来，该矩阵就称为HiPPO矩阵。

当然，上一篇文章侧重于HiPPO矩阵的推导，并没有对它的性质做进一步分析，此外诸如“如何离散化以应用于实际数据”、“除了多项式基外其他基是否也可以解析求解”等问题也没有详细讨论到。接下来我们将补充探讨相关问题。

离散格式

假设读者已经阅读并理解上一篇文章的内容，那么这里我们就不再进行过多的铺垫。在上一篇文章中，我们推导出了两类线性ODE系统，分别是：
\begin{align}
&\text{HiPPO-LegT:}\quad x'(t) = Ax(t) + Bu(t) \label{eq:legt-ode}\\[5pt]
&\text{HiPPO-LegS:}\quad x'(t) = \frac{A}{t}x(t) + \frac{B}{t}u(t) \label{eq:legs-ode}\end{align}
其中$A,B$是与时间$t$无关的常数矩阵，HiPPO矩阵主要指矩阵$A$。在这一节中，我们讨论这两个ODE的离散化。

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不论是在基础的分类任务中，还是如今无处不在的注意力机制中，概率分布的构建都是一个关键步骤。具体来说，就是将一个$n$维的任意向量，转换为一个$n$元的离散型概率分布。众所周知，这个问题的标准答案是Softmax，它是指数归一化的形式，相对来说比较简单直观，同时也伴有很多优良性质，从而成为大部分场景下的“标配”。

尽管如此，Softmax在某些场景下也有一些不如人意之处，比如不够稀疏、无法绝对等于零等，因此很多替代品也应运而生。在这篇文章中，我们将简单总结一下Softmax的相关性质，并盘点和对比一下它的部分替代方案。

Softmax回顾

首先引入一些通用记号：$\boldsymbol{x} = (x_1,x_2,\cdots,x_n)\in\mathbb{R}^n$是需要转为概率分布的$n$维向量，它的分量可正可负，也没有限定的上下界。$\Delta^{n-1}$定义为全体$n$元离散概率分布的集合，即
\begin{equation}\Delta^{n-1} = \left\{\boldsymbol{p}=(p_1,p_2,\cdots,p_n)\left|\, p_1,p_2,\cdots,p_n\geq 0,\sum_{i=1}^n p_i = 1\right.\right\}\end{equation}
之所以标注$n-1$而不是$n$，是因为约束$\sum\limits_{i=1}^n p_i = 1$定义了$n$维空间中的一个$n-1$维子平面，再加上$p_i\geq 0$的约束，$(p_1,p_2,\cdots,p_n)$的集合就只是该平面的一个子集，即实际维度只有$n-1$。

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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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