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DeepSeek mHC多流残差坍塌失效了?

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核心结论:mHC 的四条残差流并未被均匀使用 —— 读写权重集中在约两条流上;深层(22–42 层)残差混合已接近单位矩阵。干预实验显示:去掉最弱读写路径六任务平均分最多下降 0.38 个百分点,深层残差混合矩阵替换为单位矩阵后六任务平均分基本不变(84.22 → 84.26),浅层固定为平均矩阵仅下降 0.25 个百分点。



  • 论文题目:How Does mHC Use Its Residual Streams? Selective Routing and Near-Identity Mixing
  • 论文链接:https://arxiv.org/html/2609.05309v1

DeepSeek-V4-Flash 采用 mHC 结构维护四条残差流,但在实际计算中,它们并没有被均匀使用。mHC 会为每个 token 单独生成读写权重,因此路由可以随输入变化。然而,在训练后的模型中,同一子层的主导流选择对 token 呈现出较强的一致性:对于同一个 Attention 或 FFN 子层,读写权重通常集中在约两条残差流上。残差混合矩阵也呈现出退化形态:虽然浅层仍然存在一定程度的跨流混合,但是到了第 22–42 层,残差混合矩阵已经接近单位矩阵

我们进一步在推理阶段干预,分别去掉每个 token 读或写权重最小的路径后,PPL 最多上升 2.7%,六个任务的平均分最多下降 0.38 个百分点。将第 22–42 层的残差混合矩阵替换为单位矩阵后,PPL 上升 1.9%,任务平均分则基本保持不变。浅层虽然不能直接用单位矩阵取代(替换后PPL 上升 41.4%),但是固定为其在 C4 校准集上的 token 平均矩阵(即保留本身的混合结构、去掉逐 token 的变化),PPL 仅上升 0.2%,六个任务的平均分下降 0.25 个百分点



图 1|四流 mHC 的读写主要集中在少数残差流上,主导流随深度切换;浅层保留跨流混合,深层则接近各条流独立传递。

从单流残差到多流残差

在标准 Transformer 中,每个 Attention 或 FFN 子层都从同一条残差流读取隐藏状态,并将计算结果加回这条流。Hyper-Connections(HC) 及 Manifold-Constrained Hyper-Connections(mHC) 将单条残差流扩展为多条并行流。







mHC 允许模型随输入调整四条残差流的读写和混合方式,但训练后的模型如何使用这些流,又在多大程度上依赖这种动态性,仍不清楚。因此,我们分析了 DeepSeek-V4-Flash 前向计算中的读写权重、残差混合矩阵和各条流的隐藏状态,并通过推理时干预,检验裁剪读写路径或替换残差混合矩阵对模型性能的影响。

分析对象与评测设置

我们使用公开的 DeepSeek-V4-Flash-0731 权重进行分析。我们从 C4 数据集中随机采样 512 个长度为 1,024 的序列,在前向计算中记录各子层为每个 token 生成的读写权重和残差混合矩阵,以观察这些映射随输入和网络深度的变化。另外,我们通过 C4 数据集困惑度(PPL)和六个零样本任务(ARC-Easy、ARC-Challenge、PIQA、HellaSwag、MMLU 和 GSM8K)评估干预后的模型性能。

读写路由的集中程度与主导流选择







图 2|左:主导流一致性;右:有效流数量。每个点合并了同层 Attention 和 FFN 子层的统计结果。

图 2 中,读映射的主导流一致性平均为 0.871,写映射为 0.905。也就是说,在一个给定子层内,大多数 token 往往共享同一条主导流。

与此同时,读映射平均对应条有效流,写映射为条。这说明尽管架构提供了四条流,一次典型的 Attention 或 FFN 计算实际上只把主要权重放在约两条流上

上述统计描述了单个子层内的路由模式。图 3 进一步展示各条流在不同子层中的平均读写权重。



图 3|四类位置上的平均流负载。高负载区域形成连续的深度区间,但主导流会随层、子层类型以及读写映射发生切换。

残差流之间的表示相似度

一个需要进一步检查的问题是:四条流的表示是否已经趋于相似,从而使模型只需集中访问其中少数几条?我们在每个 Attention 或 FFN 子层计算四条流隐藏状态之间的余弦相似度,共得到六组两两比较,结果见图 4。



图 4|四条残差流两两之间的余弦相似度随深度的变化。左图为六组流对的平均值,右图分别展示各组流对,颜色越深表示余弦相似度越高。

图 4 左图中,四条残差流在模型入口处的余弦相似度为 1,因为它们由同一份输入表示复制而来。经过第一个 Transformer 层后,各条流的表示开始分化;在之后的网络中,六组流对的平均余弦相似度介于 0.235 和 0.564 之间,总体平均为。也就是说,各条流在前几层就形成了方向上不同的表示,此后也没有重新趋于一致

右图将六组流对分开展示,每一行对应一组流对,颜色越深表示余弦相似度越高。从各行的颜色变化可以看出,不同流对随深度呈现出不同的变化,也没有哪一对残差流在整个网络中始终保持较高的相似度。

不过,表示方向是否相同,与具体读写路径是否必要,是两个不同的问题。即使某条流的表示方向与其他流不同,当分配给它较小的读写权重时,仍可能对模型输出影响有限。这些较弱的读写路径能否裁剪,需要通过后面的推理时干预检验。

残差混合映射随深度的变化







图 5|Attention 和 FFN 子层的单位矩阵偏离,每个点为校准 token 上的平均值。

图 5 显示,较大的偏离主要出现在模型前半部分。在第 22 层后,残差混合矩阵逐渐接近单位矩阵。在第 23–42 层的 40 个子层中,有 32 个子层的偏离低于 0.01。图 6 分别给出了第 0–21 层和第 22–42 层的平均残差混合矩阵:



图 6|第 0–21 层和第 22–42 层的平均残差混合矩阵。

这更直观地呈现了这种深度差异:第 0–21 层的平均矩阵中仍能看到非对角权重;第 22–42 层的平均矩阵则已接近单位矩阵。

读写路径裁剪与残差混合映射替换

读写路径裁剪

对每个 token 和每个子层,我们分别在读映射和写映射中保留权重最大的





保留 top-3 时,读写路径裁剪对 PPL 和六个任务平均分的影响都较小。进一步裁剪到 top-2 后,两项指标的变化明显增大,其中写映射裁剪的影响更大。因此,权重最小的一条路径可以近似移除

残差混合映射替换







将浅层固定为各子层的 C4 平均矩阵后,PPL 上升 0.2%,六任务平均分下降 0.25 个百分点。这项干预固定了浅层的跨流混合方式,说明逐 token 变化带来的额外作用有限

图 7 进一步列出每个任务的得分变化:



图 7|各项干预相对原始模型的零样本分数变化,单位为百分点。为突出常见变化范围,色阶在 ±7 处截断,格内数字保留真实变化值。

讨论:多流残差结构的简化方向

在读写路由上,部分低权重路径可以移除,但继续提高裁剪强度会带来性能下降。因此,可以探索在保留多流结构的同时,适当降低读写路由的密度。这样的设计能否兼顾模型性能与计算效率,需要在相应的架构中重新训练和评估。



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