機器之心報道

機器之心編輯部

在過去十年中，AI 的進步主要由兩股緊密相關(guān)的力量推動：迅速增長的計算預(yù)算，以及算法創(chuàng)新。

相比之下，計算量的增長較容易衡量，但我們?nèi)匀蝗狈λ惴ㄟM步的清晰量化，究竟哪些變化帶來了效率提升，這些提升的幅度有多大，以及它們在不同計算規(guī)模下是否依然成立。

2024 年，有研究通過分析數(shù)百個語言模型，他們估計在過去十年里，算法進步在所謂的有效計算量（effective compute）方面貢獻了超過 4 個數(shù)量級的提升；而根據(jù)對歷史 AI 文獻的分析，計算規(guī)模本身增長了 7 個數(shù)量級。

具體而言，所有算法創(chuàng)新加起來使模型的效率提高了大約 22,000 倍，這意味著在理論上可以用少得多的浮點運算次數(shù)（FLOPs）達到相同的性能水平。

然而，我們?nèi)匀蝗狈@類進步的精確分解，而關(guān)于算法進步來源的許多關(guān)鍵問題仍未得到充分研究。例如：各種算法改進之間是如何相互作用的？算法進步是由一系列小改動累積而成，還是由少數(shù)幾次重大突破推動的？算法改進是像摩爾定律那樣平滑持續(xù)地發(fā)展，還是呈現(xiàn)間斷平衡（即長時間停滯 + 突然大跳躍）的模式？

為回答這些問題，來自 MIT 等機構(gòu)的研究者采用了三種互補的方法：

• 對語言模型中的重要算法改進進行消融實驗；
• 開展 scaling 實驗，以測量不同架構(gòu)在最優(yōu) scaling 行為上的差異；
• 對數(shù)據(jù)與參數(shù) scaling 轉(zhuǎn)換進行理論分析。

• 論文地址：https://arxiv.org/pdf/2511.21622
• 論文標題：On the Origin of Algorithmic Progress in AI

最終得到三條結(jié)論：

1：經(jīng)過實驗評估的大多數(shù)算法創(chuàng)新都只帶來了小幅的、與規(guī)模無關(guān)的效率提升，總體計算效率提升不到 10 倍，并且在推算到 2025 年的計算能力極限（2 × 1023 FLOPs）時，這些提升僅占總改進的不到 10%。這表明，與規(guī)模無關(guān)的算法進步在整體效率提升中所占的份額很小

2：本文發(fā)現(xiàn)有兩項強烈依賴規(guī)模（scale-dependent）的算法創(chuàng)新：從 LSTM 到 Transformer，以及從 Kaplan 到 Chinchilla 。當(dāng)將其外推到 2025 年的計算前沿時，這兩項創(chuàng)新合計占據(jù)了全部效率提升的 91%。這意味著：對于小規(guī)模模型而言，算法進步的幅度比此前認為的要小幾個數(shù)量級。

3：在規(guī)模依賴型創(chuàng)新的情況下，效率提升不僅需要持續(xù)的計算投入，而且算法進步的速度還強烈依賴于你選擇的參考算法。換句話說，相對于某一個基線算法，連續(xù)模型之間的進步率可能看起來是指數(shù)級的；但相對于另外一個基線算法，它卻可能完全為零。

總體來看，這些發(fā)現(xiàn)表明：算法進步可能本質(zhì)上就是依賴規(guī)模的，要真正體現(xiàn)其效益需要不斷增長計算規(guī)模。同時，這也意味著算法進步對大模型開發(fā)者的益處遠大于對小規(guī)模參與者的益處。

規(guī)模不變型算法

本文首先通過大量的消融實驗來分析單個算法的影響，從而繪制出算法改進的細粒度圖景。此外，本文還嘗試估計了多項算法組合后的聯(lián)合效果。

本文發(fā)現(xiàn)：原始論文（即提出某項算法改進的那篇論文）所聲稱的效率提升，往往遠高于后續(xù)文獻給出的估計，也高于本文的實驗結(jié)果。

規(guī)模不變型算法的效率提升既小且分布高度不均

實驗中發(fā)現(xiàn)，從 LSTM 切換到 Modern Transformer 的總效率提升為 6.28×，而從 LSTM 切換到 Retro Transformer 的效率提升為 4.69×。這比 Ho 等人（2024）的估計（他們認為 LSTM→Transformer 的提升約 60×）小得多。

雖然本文確實觀察到一些改進（例如 Adam 優(yōu)化器、以及從 post-layernorm 切換到 pre-RMSNorm）帶來了大約 2× 的效率提升，但作者測量的大多數(shù)創(chuàng)新帶來的提升都很小。

有趣的是，他們看到一個高度偏斜的效率提升分布：盡管所有被消融的創(chuàng)新帶來的提升都低于 4×，但提升倍數(shù)卻極不均勻，主要集中在少數(shù)幾項改進上，例如 Adam 或 pre-layernorm。

從這個角度來看，算法進步比之前想象的更加斷裂 / 不連續(xù)：多年小幅改進之后，會出現(xiàn)一次較大的算法躍遷。

許多改進的效率提升幅度很小，這也推動本文開展第二部分實驗，比較算法變化在不同規(guī)模下的影響，從而揭示這些變化對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) scaling laws 的作用。

依賴于規(guī)模的算法

前文提到，算法改進在小規(guī)模模型上帶來的收益非常有限。因此自然會產(chǎn)生一個問題：在大規(guī)模下，算法收益會變得更大嗎？

因此，本文對不同架構(gòu)、優(yōu)化器，以及算法創(chuàng)新進行了 scaling 實驗，以更好地理解它們的效率提升如何隨計算規(guī)模變化。

實驗?zāi)Ｐ椭饕獮?LSTM、Transformer，以及兩種 Transformer 變體：Modern Transformer、Retro Transformer。

規(guī)模擴展實驗：從 LSTM 到 Transformer

圖 4A 展示了 LSTM 與現(xiàn)代 Transformer 在 scaling 上的差異，圖 4B 展示了現(xiàn)代 Transformer 與 Retro Transformer 的 scaling 差異。

Scaling 圖表表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的改進并不是規(guī)模不變的，而是具有隨規(guī)模增加而回報提升的特性（increasing returns to scale）。

算法進步強烈依賴于算力規(guī)模與參考基線

算法進步可能主要由算力提升所驅(qū)動

本文提出一個疑問：此前將算法進步與時間掛鉤的說法，是否其實是由算力投入的持續(xù)增長所驅(qū)動？

已有估計表明，前沿模型的計算預(yù)算正以每年 4.2 倍的速度呈指數(shù)增長。因此，隨著算力預(yù)算呈指數(shù)級提升，算法進步的速率可能更多是受這一規(guī)律性的算力擴張所推動，而不是源于不斷涌現(xiàn)的算法創(chuàng)新。

本文發(fā)現(xiàn)：在 2017–2025 年間，幾乎所有可解釋的算法進步都來自兩項規(guī)模依賴型的創(chuàng)新：從 LSTM 換成 Transformer，以及從 Kaplan 換成 Chinchilla 的訓(xùn)練策略。其他所有算法改進加起來只占很小一部分。

在總計 21,400 倍（相對于 LSTM 模型）的性能提升中，本文發(fā)現(xiàn) 846 倍的提升是通過從 LSTM 模型轉(zhuǎn)向 Kaplan Transformer 模型實現(xiàn)的，而近 10 倍的提升則歸功于 Chinchilla 調(diào)整訓(xùn)練策略。這兩項創(chuàng)新共同構(gòu)成了總相對效率提升的 91%。

算法進步的速度，取決于你拿誰當(dāng)對照組

如果算法變得更強，是不是意味著進步更快，其實這完全取決于你選誰來當(dāng)參照物。換個參照物，算法進步的速度立刻就變了。

因為有些算法改進是規(guī)模依賴型（scale-dependent） 的：在大模型、大算力下提升巨大；但在小模型、小算力下幾乎沒作用。

這導(dǎo)致一個有趣現(xiàn)象：如果你用 LSTM 當(dāng)參照：Transformer 系列（尤其是更大模型）會顯得算法進步是指數(shù)增長的（論文測到一年增長率大約 63%，非?？欤坏绻阌?Transformer 自己當(dāng)參照，隨著規(guī)模變大，你只看到算法只比以前好 2 倍，幾乎沒增長。

也就是說：換個對照組，算法進步就從指數(shù)增長變成增長幅度很少。