LLM为什么Decoder only架构

为什么现在的LLM都是Decoder only的架构？

LLM 是 “Large Language Model” 的简写，目前一般指百亿参数以上的语言模型， 主要面向文本生成任务。跟小尺度模型（10亿或以内量级）的“百花齐放”不同，目前LLM的一个现状是Decoder-only架构的研究居多，像OpenAI一直坚持Decoder-only的GPT系列就不说了，即便是Google这样的并非全部押注在Decoder-only的公司，也确实投入了不少的精力去研究Decoder-only的模型，如PaLM就是其中之一。那么，为什么Decoder-only架构会成为LLM的主流选择呢？

Transformer 模型一开始是用来做 seq2seq 任务的，所以它包含 Encoder 和 Decoder 两个部分；他们两者的区别主要是，Encoder 在抽取序列中某一个词的特征时能够看到整个序列中所有的信息，即上文和下文同时看到；而 Decoder 中因为有 mask 机制的存在，使得它在编码某一个词的特征时只能看到自身和它之前的文本信息。

首先概述几种主要的架构:

• 以BERT为代表的encoder-only
• 以T5和BART为代表的encoder-decoder
• 以GPT为代表的decoder-only，
• 以UNILM9为代表的PrefixLM(相比于GPT只改了attention mask，前缀部分是双向，后面要生成的部分是单向的causal mask%)

然后说明要比较的对象: 首先淘汰掉BERT这种encoder-only，因为它用masked language modeling预训练，不擅长做生成任务，做NLUQ一般也需要有监督的下游数据微调: 相比之下decoder-only的模型用next token prediction%预训练，兼顾理解和生成，在各种下游任务上的zero-shot和few-shot泛化性能·都很好。我们需要讨论的是，为啥引入了一部分双向attention的encoder-decoder和Prefix-LM没有被大部分大模型工作采用? (它们也能兼顾理解和生成，泛化性能也不错)

1.Encoder的低秩问题

LLM之所以主要都用Decoder-only架构，除了训练效率和工程实现上的优势外，在理论上是因为Encoder的双向注意力会存在低秩问题，这可能会削弱模型表达能力，就生成任务而言，引入双向注意力并无实质好处。而Encoder-Decoder架构之所以能够在某些场景下表现更好，大概只是因为它多了一倍参数。所以，在同等参数量、同等推理成本下，Decoder-only架构就是最优选择了。（参考：为什么现在的LLM都是Decoder-only的架构？）

2.更好的Zero-Shot性能、更适合于大语料自监督学习

首先，对 encoder-decoder 与 decoder-only 的比较早已有之。先把目光放放到模型参数动辄100B之前的时代，看看小一点的模型参数量下、两个架构各有什么优势——Google Brain 和 HuggingFace联合发表的 What Language Model Architecture and Pretraining Objective Work Best for Zero-Shot Generalization? 曾经在5B的参数量级下对比了两者性能。

论文最主要的一个结论是：decoder-only 模型在没有任何 tuning 数据的情况下、zero-shot 表现最好，而 encoder-decoder 则需要在一定量的标注数据上做 multitask finetuning 才能激发最佳性能。 而目前的Large LM的训练范式还是在大规模语料上做自监督学习，很显然，Zero-Shot性能更好的decoder-only架构才能更好地利用这些无标注数据。此外，Instruct GPT在自监督学习外还引入了RLHF作辅助学习。RLHF本身也不需要人工提供任务特定的标注数据，仅需要在LLM生成的结果上作排序。虽然目前没有太多有关RLHF + encoder-decoder的相关实验，直觉上RLHF带来的提升可能还是不如multitask finetuning，毕竟前者本质只是ranking、引入监督信号没有后者强。

3.效率问题

decoder-only支持一直复用KV-Cache，对多轮对话更友好，因为每个Token的表示之和它之前的输入有关，而encoder-decoder和PrefixLM就难以做到。