新智元報道

編輯：LRS

【新智元導讀】塊離散去噪擴散語言模型（BD3-LMs）結合自回歸模型和擴散模型的優勢，解決了現有擴散模型生成長度受限、推理效率低和生成質量低的問題。通過塊狀擴散實現任意長度生成，利用鍵值緩存提升效率，并通過優化噪聲調度降低訓練方差，達到擴散模型中最高的預測準確性，同時生成效率和質量優于其他擴散模型。

擴散模型被廣泛應用于生成圖像和視頻，并且在生成離散數據（如文本或生物序列）任務上的效果也越來越好，與自回歸模型相比，擴散模型有望加速「生成過程」并提高模型輸出的「可控性」。

然而，離散擴散模型目前仍然有三個局限性：

1. 在聊天系統等應用中，模型需要生成任意長度的輸出序列（例如，對用戶問題的回答），但大多數現有的擴散架構只能生成固定長度的向量；

1. 離散擴散在生成過程中使用雙向上下文，因此無法利用鍵值緩存（KV caching）復用之前的計算，使得推理效率較低。

1. 從困惑度等標準指標來看，離散擴散模型的質量仍落后于自回歸方法，也進一步限制了其應用范圍。

為了克服這些局限性，康奈爾科技校區（Cornell Tech）、斯坦福大學的研究人員提出了「塊離散去噪擴散語言模型」（BD3-LMs，Block Discrete Denoising Diffusion Language Models），介于離散擴散模型和自回歸模型之間：塊擴散模型（也稱為半自回歸模型）在離散隨機變量的塊上定義了一個自回歸概率分布；給定前面的塊，當前塊的條件概率由離散去噪擴散模型指定。

論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/2503.09573

代碼鏈接：https://github.com/kuleshov-group/bd3lms

想要開發出一個高效的BD3-LMs，仍然有兩大難題需要解決：

1. 計算塊擴散模型的訓練目標無法通過神經網絡的標準前向傳播實現，需要開發專門的算法；

2. 擴散目標的梯度方差較大，導致即使在塊大小為1（此時兩種模型理論上等價）時，BD3-LMs的表現仍不如自回歸模型。

研究人員通過推導梯度方差的估計器，發現了導致自回歸模型與擴散模型之間困惑度差距的關鍵因素，文中提出了定制的噪聲過程，以最小化梯度方差，并縮小了困惑度差距。

自回歸生成過程

擴散生成過程

塊擴散生成過程

研究人員在語言建模基準測試中評估了BD3-LMs，結果表明，該模型能夠生成任意長度的序列，包括超出其訓練上下文長度的序列，并且在離散擴散模型中達到了新的最低困惑度。

與在嵌入層上進行高斯擴散的其他半自回歸方法相比，文中提出的離散方法具有可處理的（tractable）似然估計，并且在生成步驟少了一個數量級的情況下，生成樣本的困惑度還更低。

Block Diffusion語言建模

自回歸語言模型vs擴散語言模型

語言建模任務就是從數據分布q(x)中獲得具有L個token的序列 ，目標是擬合出一個服從q分布的模型 。

自回歸模型（Autoregressive Models）將token的分布分解成一種逐步生成的形式，即根據前面的token來預測下一個token

但這種方法存在一個問題：由于token之間的順序依賴關系，自回歸模型在生成長序列時需要逐個token進行采樣，可能會導致生成速度變慢。

相比之下，擴散模型（Diffusion Models）通過獨立建模tokens實現了并行生成，其核心思想是通過「去噪」來逆轉預先設計的「加噪」過程，利用轉移矩陣（transition matrices）告訴模型如何從噪聲中恢復出清晰的token

然而，擴散模型也有局限性，其目標是最小化似然的一個上界，也就意味著在生成質量和預測準確性方面可能不如自回歸模型；并且擴散模型目前只能生成固定長度的序列，限制了其在生成任意長度輸出應用中的靈活性。

BD3-LMs

研究人員結合了自回歸模型在「生成質量」和「靈活長度生成」方面的優勢，以及擴散模型在「快速并行生成」方面的優點，提出了塊離散去噪擴散語言模型（Block Discrete Denoising Diffusion Language Models，BD3-LMs）。

塊擴散似然

研究人員提出了一種新的建模框架，將token分組成塊（block），并在每個塊內執行擴散操作。

具體來說，模型以自回歸的方式處理這些塊，同時在每個塊內部使用擴散模型進行生成，其似然函數可以分解為B個長度為L'的部分。

每個塊都通過離散擴散的變分下界（ELBO）來建模，覆蓋的塊尺寸為L'個token。

通過優化似然下界，可以得到一個合理的訓練目標：

研究人員采用一種簡單的離散擴散參數化方法來建模每個塊的似然，最終模型的目標函數變成了加權交叉熵項的總和。

高效訓練與采樣算法

通常情況下，需要循環B次操作來計算結果，研究人員提出了一種高效訓練方法，只需要進行兩次正向傳播即可完成計算。

第一次正向傳播會預先計算出整個序列的鍵（keys）和值（values）；第二次正向傳播則利用這些預先計算好的鍵和值，同時為所有塊生成去噪后的預測結果。

在從塊離散去噪擴散語言模型（BD3-LMs）中采樣時，一次生成一個塊，并且這個塊的生成是基于之前已經生成的塊的條件。

生成一個塊后，像自回歸模型（AR）一樣將鍵和值緩存起來；在生成過程中，可以使用任意擴散采樣方法，從條件分布中生成樣本，并且每個塊的采樣步驟可以獨立進行。

擴散模型與自回歸模型之間的似然差距
單個token生成

塊擴散模型在理論上與自回歸模型的負對數似然（NLL）是等價的，尤其是在L'=1的極限情況下。

然而，研究人員發現，在LM1B數據集上訓練這兩種模型時，即使在塊大小為1的情況下，塊擴散模型與自回歸模型之間仍然存在2個點的困惑度差距。

經過分析，可以發現擴散模型的目標函數在訓練過程中具有較高的方差，是導致困惑度差距的主要原因。

在離散擴散模型的訓練中，使用變分下界（ELBO）時會遇到高方差的問題。

從直覺上來說，如果被遮蔽的部分太少，那么恢復原始內容就會很容易，這種情況下模型就得不到有效的學習信號；

反過來，如果把所有內容都遮蔽掉，那么最優的恢復方式就是簡單地根據數據分布中每個token的獨立概率來進行猜測，這種任務雖然容易完成，但也同樣沒有意義。

最終的目標是找到一種合適的噪聲調度（noise schedule），以減少由擴散目標引起的訓練過程中的波動，并進一步縮小模型在困惑度上的差距。

為了避免因遮蔽率（masking rates）過高而導致訓練過程中的大幅波動，研究人員在訓練塊離散去噪擴散語言模型（BD3-LMs）時，采用了「限制性」的遮蔽率：通過降低訓練過程中的波動，當在評估時使用均勻采樣的遮蔽率時，模型的預測準確性得到了提升。

由于最優的遮蔽率可能因塊的大小而有所不同，研究人員在訓練過程中自適應地學習這些遮蔽率，在每次驗證步驟中，每完成5000次梯度更新后，通過網格搜索來優化遮蔽率。

研究結果表明，針對每個塊大小優化噪聲調度可以減少損失估計器的方差，并在與其他噪聲時間表的比較中實現最佳的困惑度性能。

實驗結果

似然評估

BD3-LMs在擴散模型中達到了最先進的預測準確性（似然性），通過調整塊的長度，BD3-LMs能夠在擴散模型的似然性和自回歸模型的似然性之間實現平衡。

任意長度序列生成

許多現有的擴散語言模型有一個重大缺陷：無法生成比訓練時選擇的輸出上下文長度更長的完整文檔。

例如，OpenWebText數據集中包含的文檔最長可達13.1萬個tokens，但離散擴散模型SEDD只能生成最多1024個token的內容。

實驗結果展現了BD3-LMs能夠通過解碼任意數量的塊來生成長度可變的文檔，研究人員評估了BD3-LMs在生成長度可變的序列時的質量，并使用相同的生成步數（NFEs）來比較所有方法。

研究人員還測量了在GPT2-Large模型下采樣序列的生成困惑度，結果顯示BD3-LMs在所有之前的擴散方法中達到了最佳的生成困惑度。

研究人員還將其與半自回歸SSD-LM進行了比較，在詞嵌入上執行高斯擴散，但無法進行似然估計；相比之下，文中提出的離散方法在少一個數量級的生成步數下，生成的樣本具有更低的生成困惑度。

簡單來說，BD3-LMs不僅能夠生成任意長度的文檔，而且在生成效率和質量上都優于其他擴散模型。

參考資料：

https://arxiv.org/pdf/2503.09573