从DeepSeek-V3到Kimi K2：八种现代 LLM 架构大比较

2025-07-25 22:07 浙江

Datawhale干货

作者：Sebastian Raschka

编译：PaperAgent

距离最初的 GPT 架构问世，已经过去了七年。乍看之下，回溯到 GPT-2（2019 年），再展望 DeepSeek-V3 和 Llama 4（2024-2025 年），人们或许会惊讶于这些模型在结构上竟依然如此相似。

当然，位置嵌入已经从绝对位置编码演变为旋转位置编码（RoPE），多头注意力机制已基本被分组查询注意力机制所取代，更高效的 SwiGLU 激活函数也取代了 GELU 等传统激活函数。但在这些细微的改进背后，我们是真正看到了突破性的变化，还是仅仅在对相同的架构基础进行打磨？

架构示意图：DeepSeek V3/R1、OLMo 2、Gemma 3、Mistral Small 3.1、Llama 4、Qwen3、SmolLM3和Kimi 2

原文地址：https://sebastianraschka.com/blog/2025/the-big-llm-architecture-comparison.html

一、DeepSeek V3/R1
DeepSeek V3 中引入的两种关键架构技术，这些技术提高了其计算效率，并使其有别于许多其他 LLM：多头潜在注意力（MLA）、混合专家（MoE）：1.1 多头潜在注意力（MLA）
MLA旨在解决传统多头注意力（MHA）在大规模模型中内存占用过高的问题。与分组查询注意力（GQA）相比，MLA通过压缩键和值张量来进一步减少内存使用。
MHA 与 GQA 的比较。此处，组大小为 2，其中两个查询共享一个键值对。
在MLA中，键和值张量在存储到KV缓存之前会被压缩到一个低维空间。在推理时，这些压缩的张量会被重新投影回原始大小。这种设计虽然增加了额外的矩阵乘法操作，但显著降低了内存占用。
MLA（用于 DeepSeek V3 和 R1）与常规 MHA 的比较。
1.2 混合专家（MoE）
MoE将传统的前馈模块替换为多个专家层，每个专家层也是一个前馈模块。在推理时，一个路由器会选择一小部分专家进行激活。例如，DeepSeek V3有256个专家，但每次推理仅激活9个专家（1个共享专家和8个由路由器选择的专家）。
V3/R1 中的混合专家 (MoE) 模块（右）与具有标准前馈块的 LLM（左）的比较图。

二、OLMo 2

2.1 归一化层放置

OLMo 2采用后归一化（Post-Norm）策略，与大多数LLM采用的前归一化（Pre-Norm）不同。这种设计旨在提高训练稳定性。

在OLMo 2中，归一化层被放置在注意力模块和前馈模块之后，而不是之前。这种设计与原始Transformer架构中的Post-LN类似，但使用了RMSNorm而非LayerNorm。

Post-Norm、Pre-Norm和OLMo 2的Post-Norm变体的对比图。

研究表明，后归一化有助于训练稳定性，尤其是在不使用精心设计的学习率预热策略时。OLMo 2的训练损失曲线表明，这种设计在训练过程中表现更为稳定。

Pre-Norm（如GPT-2、Llama 3和许多其他模型中使用的）与OLMo 2的Post-Norm变体的训练稳定性对比图。

2.2 QK-Norm

QK-Norm是在多头注意力模块中引入的额外RMSNorm层，应用于查询（q）和键（k）之前。这种设计有助于在应用RoPE之前对输入进行归一化，从而减少训练过程中的数值不稳定。

class GroupedQueryAttention(nn.Module):
    def __init__(
        self, d_in, num_heads, num_kv_groups,
        head_dim=None, qk_norm=False, dtype=None
    ):
        # ...
        if qk_norm:
            self.q_norm = RMSNorm(head_dim, eps=1e-6)
            self.k_norm = RMSNorm(head_dim, eps=1e-6)
        else:
            self.q_norm = self.k_norm = None
    def forward(self, x, mask, cos, sin):
        b, num_tokens, _ = x.shape
        # Apply projections
        queries = self.W_query(x)
        keys = self.W_key(x)
        values = self.W_value(x)
        # ...
        # Optional normalization
        if self.q_norm:
            queries = self.q_norm(queries)
        if self.k_norm:
            keys = self.k_norm(keys)
        # Apply RoPE
        queries = apply_rope(queries, cos, sin)
        keys = apply_rope(keys, cos, sin)
        # Expand K and V to match number of heads
        keys = keys.repeat_interleave(self.group_size, dim=1)
        values = values.repeat_interleave(self.group_size, dim=1)
        # Attention
        attn_scores = queries @ keys.transpose(2, 3)
        # ...