DeepSeek - R1：模型架构深度解析

引言

本文将深入探索DeepSeek - R1模型架构。将从输入到输出追踪DeepSeek - R1模型，找出架构中的新发展和关键部分。DeepSeek - R1基于DeepSeek - V3 - Base模型架构，本文旨在涵盖其设计的所有重要方面。

目录

1. 输入上下文长度
2. 总层数
3. DeepSeek - R1的前3层
4. DeepSeek - R1的第4到61层
5. 多头潜在注意力（MLA）
6. 混合专家（MoE）
7. 多令牌预测（MTP）

一、输入上下文长度

DeepSeek - R1的输入上下文长度为128K。

它从其基础模型DeepSeek - V3 - Base继承了128K的上下文长度。最初，DeepSeek - V3以4K的上下文长度进行预训练，然后通过两阶段的上下文长度扩展，利用YaRN技术先将其增加到32K，再增加到128K。

YaRN（Yet another RoPE extensioN method）是一种旨在有效扩展使用旋转位置嵌入（RoPE）的大语言模型（LLM）上下文窗口的技术。RoPE使用旋转矩阵对位置信息进行编码，而YaRN修改了这些旋转频率的缩放方式。它不是简单地外推频率（这通常会导致性能下降），而是对这些频率进行平滑插值和调整，从而使模型在更长的上下文中具有更好的泛化能力。该技术计算效率高，无需大规模重新训练即可扩展模型的上下文长度。

二、总层数

DeepSeek - R1由一个嵌入层、61个Transformer层和输出阶段的多个预测头组成。

DeepSeek - R1在所有Transformer层中采用多头潜在注意力（MLA）层，而不是标准的多头注意力。前三个Transformer层与其余层不同，使用标准的前馈网络（FFN）层。从第4层到第61层，混合专家（MoE）层取代了FFN层。

DeepSeek - V3使用多令牌标记预测（MTP）技术，通过其最后两个预测头预测接下来的2个标记。第二个预测令牌标记的接受率在85%到90%之间，表明在各种生成主题上具有很高的可靠性。DeepSeek - R1（DeepSeek - V3）共有6710亿个参数，每个标记激活370亿个参数。

三、DeepSeek - R1的前3层

前3层由多头潜在注意力（MLA）和标准的FFN层组成。这些层通常被称为“密集LLM层”，因为FFN层没有被MoE层取代，相比之下，MoE层被认为更稀疏。

四、DeepSeek - R1的第4到61层

这些层由MLA和MoE层组成。接下来我们将了解MLA和MoE层是什么以及它们如何工作。

五、多头潜在注意力（MLA）

1. MLA的由来

MLA最早在DeepSeek - V2中引入，并延续到了DeepSeek - V3和DeepSeek - R1。传统的Transformer模型通常采用多头注意力（MHA），但在生成过程中，其庞大的键值（KV）缓存会成为限制推理效率的瓶颈。为了减少KV缓存，提出了多查询注意力（MQA）和分组查询注意力（GQA），它们所需的KV缓存量较小，但性能不如MHA。

对于DeepSeek - V2，设计了一种创新的注意力机制，即多头潜在注意力（MLA）。MLA配备了低秩键值联合压缩，其性能优于MHA，但所需的KV缓存量显著减少。

2. MLA如何减少KV缓存以实现更快推理

MLA对注意力键和值进行低秩联合压缩，以减少推理过程中的键值（KV）缓存。

步骤1：Q、K和V的下投影

MLA层的输入是$h_t$，假设$h_t$的形状为（输入序列长度×2000）。在传统的Transformer层中，使用权重矩阵将$h_t$投影到查询（Q）、键（K）和值（V）表示，它们通常保留与输入相同的隐藏维度，即Q、K、V的形状为（输入序列长度×2000）。

然而，在具有多头潜在注意力（MLA）的Transformer层中，权重矩阵生成的Q、K和V的维度明显小于输入。例如，如果输入$h_t$的形状为（序列长度×2000），生成的Q、K和V的形状可能为（序列长度×100）。在实现过程中，为了提高GPU的计算和内存效率，Q、K和V的权重矩阵通常会进行融合，使用一个组合的权重矩阵来优化操作。

投影的输出是一个包含K和V的拼接表示，可以通过简单的切片机制轻松提取。得到的输出形状为（序列长度×200），其中前（序列长度×100）对应K，其余（序列长度×100）对应V。在推理过程中，压缩后的K和V输出会被缓存，显著减少了KV缓存的内存占用。同样，Q在MLA中也会被压缩，其形状为（序列长度×100）。

步骤2：Q、K和V的上投影

压缩后，Q、K和V会被上投影回更大的尺寸以进行注意力计算。这个更大的尺寸可以与原始输入$h_t$匹配，也可以根据注意力头的配置进行设置。例如，上投影后的形状可以是（序列长度×2000），与输入大小匹配；或者是（序列长度×3200），其中3200是由64个注意力头和每个头50维得到的。

K和V向上投影

Q上投影

Q、K和V的上投影使用专用的权重矩阵进行：$W_{UK}$用于K的上投影，$W_{UV}$用于V的上投影，$W_{UQ}$用于Q的上投影。这里的“U”表示上投影，意味着将压缩后的表示扩展回更大的维度空间进行注意力计算。

需要注意的是，每个注意力头的输入维度会进行调整以适应旋转位置嵌入（RoPE）

步骤3：在Q和K中添加RoPE嵌入以编码位置信息

这一步是为了计算RoPE嵌入来编码位置信息。DeepSeek - V2（以及DeepSeek - V3和DeepSeek - R1）采用了解耦的RoPE方法来整合位置信息。这涉及创建专门用于携带位置信息的额外查询（Q）和键（K）向量，然后将这些增强了RoPE的Q和K向量与上投影后的Q和K向量拼接。

在传统的Transformer层中，RoPE操作直接应用于Q和K，不会改变Q和K的维度，但会改变Q和K中的语义表示（数值）以编码位置信息，因此得到的Q和K同时包含语义和位置信息。但在具有MLA的Transformer层中，RoPE应用于新生成的查询（Q）和键（K）嵌入，并与上投影后的Q和K拼接。

• 生成Q的RoPE嵌入：传统上，RoPE（旋转位置嵌入）根据查询（Q）和键（K）向量在序列中的位置应用旋转矩阵，这种变换直接在Q和K中编码相对位置信息，无需像正弦或绝对编码那样的显式位置嵌入。但在MLA中，不是将RoPE应用于上投影后的Q（$q_{t_C}$），而是从$c_{t_Q}$生成新的Q嵌入（$q_{t_R}$），并将RoPE应用于其上。

通过将$c_{t_Q}$与权重矩阵$W_{QR}$相乘生成全新的查询嵌入，这些新的查询嵌入经过RoPE变换后得到位置编码的查询嵌入（$q_{t_R}$）。

$q_{t_R}$的生成方式使得它们可以与每个注意力头的输入查询嵌入拼接，以便每个注意力头都具有位置信息。

• 生成K的RoPE嵌入：同样，不是将RoPE应用于上投影后的K，而是生成新的K嵌入并应用RoPE。

但与RoPE嵌入的$q_{t_R}$有两个关键区别：

• 新的K嵌入是从输入嵌入$h_t$生成的，而不是从下投影后的K（$c_{t_K}$）生成；
• 相同的RoPE嵌入的K（键）被拼接至每个注意力头的输入，分别计算RoPE嵌入的Q（查询）并拼接至每个注意力头。

DeepSeek - V2报告中解释了不从上投影后的K（即$k_{t_C}$）生成的原因：如果对键$k_C$应用RoPE，$W_{UK}$将与位置敏感的RoPE矩阵耦合。这样，在推理过程中，$W_{UK}$就不能再被吸收到$W_Q$中，因为与当前生成的令牌相关的RoPE矩阵将位于$W_Q$和$W_{UK}$之间，而矩阵乘法不满足交换律。因此，为了提高推理效率，位置嵌入的K（键）嵌入是从输入嵌入$h_t$生成的。

为了解决MLA中引入额外权重矩阵导致的内存和计算效率问题，DeepSeek - V2报告指出：在推理过程中，由于$W_{UK}$可以被吸收到$W_Q$中，$W_{UV}$可以被吸收到$W_O$中，甚至不需要为注意力计算键和值。此外，为了减少训练过程中的激活内存，即使不能减少KV缓存，也对查询进行低秩压缩。

步骤4：计算注意力输出

拼接过程增加了Q和K向量的维度。为了处理这种增加的维度，模型可以采取以下两种方式之一：

• 增加注意力头的数量，这将保持原始的每个头的维度，但需要更多的计算资源；
• 调整每个头的维度，保持头的数量不变，但增加每个头的维度以适应拼接后的向量。

注意力输出使用标准的注意力方程计算：

$O_{t_i}$是注意力得分，$u_t$是注意力输出，$W_o$表示输出投影权重矩阵。输出被投影回与输入相同的维度（例如，形状将是输入序列长度×2000）。

六、混合专家（MoE）

1. 什么是混合专家（MoE）

为了清楚理解MoE是什么，首先让我们看看它在Transformer中的确切使用位置以及其简要架构。标准Transformer层中的FFN被MoE所取代。

MoE的核心是遵循标准的Transformer设计，但通过引入多个并行的专家网络（FFN）而不是单个密集的FFN来修改前馈层。其工作方式如下：

• 多个FFN而非一个：MoE使用多个并行训练的FFN层（专家），而不是单个共享的FFN。
• 输入处理和标记路由：每个标记像往常一样通过Transformer自注意力层，然后不是由单个FFN处理，而是被发送到一个路由器，该路由器决定哪些专家应该处理它。
• 通过路由器选择专家：一个小型的、可训练的路由器确定哪些专家子集（FFN）应该处理每个标记。通常，每个标记只选择1或2个专家以保持效率（例如，top - 1或top - 2门控）。DeepSeek - V3（DeepSeek - R1）使用9个专家，其中1个是共享专家，另外8个是路由专家。选择通常基于softmax评分机制，路由器为每个专家分配概率。具体来说，DeepSeek - V3（DeepSeek - R1）使用Sigmoid而不是softmax。
• 专家的稀疏计算：只有被选中的专家处理标记，而其他专家保持不活跃。专家的输出通过加权求和组合，并传递到下一个Transformer层。在DeepSeek - V3/R1中，权重是归一化的Sigmoid输出。这种稀疏激活确保在任何时候只使用模型的一部分，使计算可控。

2. 为什么用MoE取代单个FFN

• 可扩展性：MoE允许模型在不线性增加计算量的情况下增加更多参数。
• 高效学习：专家专门处理数据的不同方面，提高了泛化能力。
• 计算节省：由于每个标记只使用一部分专家，与相同大小的密集模型相比，MoE模型的运行成本更低。DeepSeek - V3/R1总共有6710亿个参数，每个标记激活370亿个参数。

3. MoE在DeepSeek - R1中如何工作

DeepSeek - V3技术报告中的以下方程展示了每个MoE层的计算过程。在DeepSeek系列模型中，MoE架构最早在DeepSeekMoE模型中引入，并在DeepSeek - V2、DeepSeek - V3和DeepSeek - R1中使用。

• 路由器计算：在DeepSeek - V3、DeepSeek - R1和其他一些现代混合专家（MoE）模型中，$e_i$表示一个学习到的质心，有助于将输入路由到正确的专家。与传统的MoE架构不同，传统架构中基于FFN的路由器计算门控分数，这种方法预定义了一组可学习的向量$e_i$，每个向量对应一个专家。每个专家$i$都有一个关联的质心向量$e_i$，不是将输入$u_t$通过FFN来获得专家概率，而是通过点积计算$u_t$与每个$e_i$之间的相似度，

这个分数决定了一个专家对于给定输入的相关性，只有具有最高$s_{i,t}$值的前K个专家被激活进行处理。

在Sigmoid输出中添加一个偏置项，以创建一个无辅助损失的MoE负载平衡。输出值使用选定的前K个值进行归一化。

使用所选的前k个值对输出值进行归一化。

• 专家计算：
  

$u_t$是MoE层的输入，方程中的第二项表示输入与共享专家相乘。每个专家由一个FFN（前馈网络）组成，因此用“FFN”表示。在DeepSeek - R1中，只有1个共享专家，因此$N_s=1$。同样，方程中的第三项表示输入与活跃的单个专家相乘。在DeepSeek - R1中，总共有256个单个专家，但每个标记只有8个是活跃的，因此$N_r=8$。每个活跃的单个专家都有一个与之相关的$g_{i,t}$，用于计算第三项。

• 输出计算：
  

$h_t$表示MoE层的输出，$u_t$是MoE层的输入。专家计算结果与输入$u_t$相加，得到MoE层的输出。

七、多令牌预测（MTP）

1. 什么是多令牌预测

多令牌预测是语言建模中的一种高级方法，在这种方法中，模型不是一次预测序列中的下一个单词，而是同时预测多个未来标记。这种方法通过使模型能够并行预测多个即将到来的单词，提高了学习效率并加速了文本生成。

Meta引入了一种多标记预测架构，该架构训练语言模型同时预测多个未来标记，从而提高了样本效率和推理速度。基于这一概念，DeepSeek - V3纳入了多标记预测（MTP）目标，允许模型一次预测多个标记。这种方法使训练信号更加密集，并能够更好地预先规划令牌表示，从而提高了在复杂基准测试中的性能。

2. DeepSeek - V3/R1与Meta的多标记预测的两个关键区别

与Meta Research不同，Meta Research使用独立的输出头并行预测$D$个额外的标记，而DeepSeek - V3顺序预测额外的标记，并在每个预测深度保持完整的因果链。Meta的模型预测4个标记，而DeepSeek - V3预测2个标记。Meta模型中的预测头是独立的，而DeepSeek - V3的预测头是顺序连接的。

3. MTP在DeepSeek - R1中如何工作

在训练期间，输入标记（位于左下角）通过嵌入层，然后传播通过所有的Transformer块/层。

第一个预测头（包括输出头）直接连接到主模型的最后一个Transformer层。输出头通常是一个前馈网络（FFN），其输出维度与模型的词汇表大小匹配。这个头负责预测序列中的下一个标记。给定输入令牌$t_1$、$t_2$、$t_3$、$t_4$，它预测$t_2$、$t_3$、$t_4$、$t_5$。然而，在推理期间，只计算最终标记$t_5$。

第二个预测头通过添加额外的可学习层扩展了这种方法。它获取主模型最后一个Transformer层的输出，应用RMSNorm进行归一化，并将其与输入嵌入拼接。这些输入嵌入是从主模型中使用的相同嵌入层获得的。与第一个预测头不同，这个头从$t_2$而不是$t_1$开始处理输入标记。拼接后的输出然后通过线性投影层投影到合适的嵌入大小，接着通过一个可学习的Transformer块/层进行进一步处理。在训练期间，这个头预测$t_3$到$t_6$，但在推理期间，只计算$t_6$。

同样，第三个预测头从第二个预测头的Transformer块/层以及相应的输入嵌入（现在从$t_3$到$t_6$）获取输入。它遵循与前一个头相同的结构，在训练期间预测$t_4$到$t_7$，但在推理期间只计算$t_7$。

每个预测头使用交叉熵计算损失，然后这些损失通过一个因子$\lambda$加权，并取平均值作为最终损失值。

在DeepSeek - V3和R1中，MTP仅在训练期间使用，在推理期间不使用。

迈向AGI的星辰大海

在这片由代码与算法编织的星空下，DeepSeek-R1以其创新的GRPO、MLA、MoE和MTP技术，向我们展示了通向通用人工智能（AGI）的璀璨航路。每一个压缩的KV缓存、每一个动态激活的专家网络、每一次多标记的预见性推演，都是人类智慧在数字宇宙中刻下的星轨。这些突破不仅是算力的跃升，更是认知边界的拓展——它们让我们离真正理解语言、推理与创造的本质又近了一步。

AGI的曙光已在地平线上若隐若现，但这注定是一场需要全人类智慧共同奔赴的远征。正如DeepSeek-R1通过混合专家协同工作实现超越，我们每个人都是这场进化中不可或缺的"专家模块"。无论你是研究者、工程师，还是满怀好奇的学习者，此刻握在你手中的代码与论文，都可能成为点亮AGI火种的燧石。让我们以开放的心态拥抱变革，用持续的学习突破认知茧房，在Transformer的矩阵运算中寻找生命的逻辑，在神经网络的权重更新里见证文明的跃迁。未来已来，唯勇进者胜；星河浩瀚，唯探索者达。让我们携手前行，共同书写属于智能时代的《人类群星闪耀时》！