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前腾讯 AI Lab 总监史树明神级大作:新方法让 Token 压缩率飙升 60% | GAIR Paper 135

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词表从250K涨到1M,BPE的token为何反而越来越“摸鱼”?

编辑丨岑峰

当业界普遍认为 Tokenizer 已经走到头、只能修修补补时,前腾讯 AI Lab NLP 中心总监史树明用一篇新报告打破了这种僵局。在最新发布的技术报告《Counting and Min-Cost Encoding for Tokenization in Large Language Models》中,他提供了一种堪称“优雅降维”的新解法,刀刀见血,毫无冗笔。

分词器作为大模型的“语言门户”,直接锚定了模型的推理效率与信息密度。然而,经典 BPE(Byte Pair Encoding)算法固有的贪心策略与局部性瓶颈,导致词表越扩张越尴尬:空有百万规模,大半沦为闲置。

史树明提出的 CNF-MCE 框架,彻底颠覆了逐步合并的旧路,转向“先全局统计,再全局优化”:在 250K 词表下压缩率显著提升 26%–30%;在 1M 极大词表下,Token 效率跃升逾 60%,词表利用率更是从 52.9% 惊人地拉升至 96.9%。新词表的技术报告也进入到了ModelScope的本周热门论文列表:https://www.modelscope.cn/papers?page=1&type=hot

针对这一突破,前腾讯NLP&LLM专家研究员王琰给出了极高的同行评价:“史树明老师,一直是我梦想中想成为的人物。优雅的思路,不带 AI 痕迹的代码与论文,不带一丝冗余的算法。环境在变,人在变,舆论在变,但神从未下山。”

诚然,MCE 代价函数的泛化理论边界、超大词表工程落地时的算力与内存开销,仍需经受产业级基准的进一步淬炼。但这篇工作指明的方向已无比明确:大模型的分词底层,绝无必要被终身困在“局部贪心合并”的旧框架里。

AI科技评论特邀史树明老师,对这篇技术报告的核心思想与设计哲学做深度拆解。以下为解读全文:

分词器(Tokenizer)一直是大模型中一个低调却至关重要的组件,它决定了文本如何被切分成token,而token序列的长度直接影响推理成本和速度。长期以来,BPE(Byte-Pair Encoding,字节对编码)几乎垄断了这一领域,它背后的词表构建和分词逻辑都是“自底向上、逐步合并”。

但BPE有一个根本性的局限:它是贪心的、局部的。每一步只考虑当前最高频的相邻字节对,不关心全局最优,也不允许Token跨越预分词边界。这意味着,无论词表多大,总有一些高频短语(如“the United States”)被切得支离破碎。

最近,一篇arXiv预印版论文《Counting and Min-Cost Encoding for Tokenization in Large Language Models》提出了一套完全不同的思路:先统计,再全局优化。他们提出的CNF-MCE框架在250K词表下将英文网页文本的压缩率提升了26%到30%,在将词表规模扩展到1M规模时token效率提升超过60%,词表利用率从BPE的52.9%跃升至96.9%。


01


BPE分词器的问题

要理解这项工作的意义,先看BPE是怎么工作的。BPE词表构建算法的基本原理是从单个字符开始,反复扫描语料,找到频率最高的相邻符号对,将它们合并为新token,最终产出的词表除了包含从token text到ID的映射外,还包含token合并信息,即每个token是由哪两个token合并而成的。BPE文本切分算法过程类似,是基于词表中的token合并信息不断合并相邻token的过程。这种方式面临几个问题:

  • Token效率瓶颈:为了效果与效率,BPE通常先做预分词(pretokenization),按空格和标点把文本切成“词”,然后合并只在词内部进行。这就堵死了一条重要的压缩路径:跨词的多词token(multiword tokens)。虽然一些工作尝试放宽这一限制,但它们仍然依赖有序合并操作,本质上还是在BPE的框架内打补丁。

  • Token合并信息影响词表优化操作:首先,有些token在合并路径上,但是在最终的文本编码中使用率很低,面临训练不充分的风险,影响模型效果;其次,词表合并等操作因token合并信息的存在变得复杂,比如参与合并的两个词表中某个token的合并路径不同,如何取舍。

  • 非全局最优:BPE的文本编码算法本质上是“贪心”的,不能从全局角度给出最优的编码结果或最短的token序列。比如用BPE算法基于千问3.8的词表对 " pysimplesoap" 进行切分,结果是 " pys|imp|les|o|ap",而实际上存在更短也更符合语义的切分 " py|simple|soap"。

CNF-MCE的作者选择了一条完全不同的路:不做顺序合并,直接统计所有有效子串的出现频率,然后用全局最优的方式切分文本。


02

词表构建算法CNF:

从“怎么合并”到“什么值得统计”

CNF(Counting and Filtering)的核心洞察是:与其问“该合并哪两个Token”,不如问“语料中哪些子串真正有价值”。

具体来说,CNF分两步走:

第一步,计数构建原始词表(Counting)。算法从训练语料中提取所有“合法候选Token”,统计它们的出现次数,取最高频的若干构成原始词表。CNF允许跨词子串成为候选,但设置了边界有效性规则。例如在句子“1600 B.C. was a significant year”中,“␣significant␣year”是合法候选(从词边界开始、跨词),但“ficant␣year”不合法(从一个词的中间开始)。为了支持从大规模语料中训练词表,CNF还设计了一套高效的多轮计数算法:按长度区间分批处理短候选优先,用字节trie存储历史频率并设置阈值提前终止,大幅降低了穷举统计的开销。

第二步,过滤(Filtering)。原始词表包含大量“统计上高频但实际切分时用不上”的候选。CNF用MCE算法对训练语料做一次完整切分,统计每个Token的实际使用频率,剔除那些很少被用到的词。这一步把“候选频率”和“使用价值”区分开来。一个子串可能在文本中出现很多次,但在全局最优切分中并不被选中——因为它被更长的Token“覆盖”了。

03

文本切分算法MCE:

把分词变成全局优化问题

MCE(Min-Cost Encoding)是配套的编码算法。传统的BPE编码是确定性的:按合并列表顺序贪婪匹配,给一个文本,切分结果是唯一的。MCE则把分词定义为一个代价最小化问题:给定词表,寻找使总编码代价最小的切分方案,用动态规划算法来高效地求全局最优解。

编码代价函数由三项组成:单位token代价1、边界惩罚 p(i,j)、可选的token偏好代价ε(t)。这三项分别对应“用多少Token”、“跨不跨词边界”以及“偏好什么token”。

MCE有一个重要的特性:不依赖合并列表,也不依赖token概率。这意味着它几乎可以作用于任何词表——BPE构建的、UnigramLM构建的、或者CNF自己构建的。这种通用性让MCE可以作为一个独立的编码算法,与不同的词表构建方法解耦。


04


实验数据:不只是“更好一点”

论文在六个文本类别上做了系统评测,实验设计分为两个层面:同等词表规模下的分词器对比,以及词表规模扩展时的行为分析。

▎250K词表:与BPE的直接对比

在250K词表规模下,论文将CNF-MCE与OpenAI的o200k_base和Qwen的qwen250k进行了直接对比。这是“同等词表大小、不同词表构建和分词方法”的公平较量,结果显示新的分词器在处理英文网页文本时,相比o200k_base压缩率提升26%,相比qwen250压缩率提升30%。这个层面的实验回答的问题是:在词表规模相同的前提下,新词表比BPE好多少?答案是显著更好,且这一优势在六个文本类别中保持一致趋势,而非仅限英文网页文本的偶然现象。

▎1M词表:相对BPE基线的scaling优势

1M词表的实验同样是与BPE分词器的对比,论文关注的是:当词表规模扩大到1M时,CNF-MCE相对于BPE基线的优势是扩大还是缩小?

结果有两个关键数字:

  • Token效率提升超过60%:这是在1M词表规模下,CNF-MCE相对于BPE分词器的提升幅度。对比250K词表下26%到30%的提升,可以看到CNF-MCE的优势随词表规模扩大而显著放大。

  • 词表利用率从52.9%提升到96.9%:52.9%是BPE分词器在1M词表下的典型表现,96.9%是CNF-MCE在1M词表下的表现。BPE分词器在大词表下往往面临“词表膨胀但大半闲置”的尴尬——很多Token因为合并顺序的问题或过于生僻从未被编码器选中,而CNF-MCE的“基于token的实际使用频次进行过滤”的机制让几乎每一个token都在实际编码中发挥作用。

这个层面的实验回答的问题是:词表规模扩大时,CNF-MCE能否持续从更大的词表中获益,还是像BPE一样遭遇利用率瓶颈?答案是前者——不仅绝对压缩率更高,而且相对于BPE的领先幅度还在扩大。

▎下游任务验证

在1.8B和8B参数规模上从头训练语言模型,CNF-MCE在11个基准测试中的平均表现与BPE分词器相当,说明token效率的提升没有以牺牲下游能力为代价。

05


这意味着什么?

如果这项工作的结论在大规模模型上得到进一步验证,其影响是多方面的。

  • 推理效率和成本:固定模型架构下,token序列越短,推理时间和成本越低。25%以上的token效率提升意味着同等算力下可以处理更长的上下文,或同样的输入输出情况下延时和成本可以降低25%以上。

  • 分词器设计的范式转移:BPE的统治地位部分源于其简单性和工程成熟度,而非理论最优性。CNF-MCE展示了一条不同的路径:用统计构建候选空间,用全局优化选择切分。如果这项工作的在大规模模型上得到进一步验证,可能启发更多脱离BPE框架的探索。

当然,挑战同样存在。MCE的代价函数的设计是否有足够的理论依据?1M词表的推理效率在实际部署中表现如何?这些问题需要后续研究来回答。但方向已经清晰:分词器不必永远困在“逐步合并”的范式里。

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