Titans – 谷歌推出的新型神经记忆架构-爱论文

Titans是什么

Titans是谷歌推出的新型神经网络架构，能突破Transformer在处理长序列数据时的记忆瓶颈。Titans引入神经长期记忆模块，模拟人脑记忆机制，强化对意外事件的记忆能力。Titans架构包含三种变体：MAC（记忆作为上下文）、MAG（记忆作为门）和MAL（记忆作为层），分别用不同的方式整合记忆模块。实验表明，Titans在语言建模、常识推理、时间序列预测等任务上超越Transformer和现代线性RNN模型，尤其在处理超过200万上下文窗口的长序列任务中展现出卓越性能，具备并行计算能力，提高了训练效率。

Titans的主要功能

长序列数据处理：Titans能有效处理超过200万上下文窗口的长序列数据，在长序列任务中，保持高准确率，例如在“大海捞针”任务中，即使序列长度从2k增加到16k，准确率仍保持在90%左右。记忆管理：基于神经长期记忆模块，记住很久以前的信息，对于需要长程依赖的任务（如语言建模和常识推理）至关重要。结合注意力机制，处理短期记忆，关注当前上下文中的直接依赖关系。任务多样性：在多种任务中表现出色，包括语言建模、常识推理、时间序列预测、基因组学建模等，展示了广泛的适用性。训练效率：Titans的神经长期记忆模块支持并行计算，显著提高训练效率，使其能更快地处理大规模数据，在推理阶段，快速检索和利用长期记忆，提高模型的响应速度。

Titans的技术原理

神经长期记忆模块（Neural Long-Term Memory Module）记忆编码：基于在线元模型（Online meta-model）学习如何在测试时记住和忘记特定数据。模型将过去的信息编码到神经网络的参数中，避免记住无用的训练数据细节。惊喜度量：借鉴人脑记忆原理，基于测量输入的梯度确定输入的“惊讶度”。梯度越大，说明输入越出人意料，越容易被记住。动量机制：引入动量机制，将短期内的惊喜累积起来形成长期记忆，让模型更好地处理序列中的信息流。遗忘机制：基于遗忘机制，模型能擦除不再需要的旧记忆，防止记忆溢出，管理有限的记忆容量。架构设计MAC（记忆作为上下文）：将长期记忆和持久记忆作为当前输入的上下文，一起输入给注意力机制，让模型能同时考虑历史信息和当前上下文。MAG（记忆作为门）：在记忆模块和滑动窗口注意力两个分支上进行门控融合。结合长期记忆和短期记忆的优势，用门控机制动态调整信息流。MAL（记忆作为层）：将记忆模块作为独立的一层，压缩历史信息后再输入给注意力机制。基于层次化的信息处理，提高模型的表达能力。并行化训练：基于矩阵运算（matmuls）进行优化，支持并行计算，显著提高训练效率。

Titans的项目地址

arXiv技术论文：https://arxiv.org/pdf/2501.00663v1

Titans的应用场景

语言建模与文本生成：生成连贯、高质量的长文本，如文章、故事等，保持内容的一致性和逻辑性。常识推理与问答系统：理解和推理长上下文中的复杂问题，提供准确的答案，适用于需要背景知识的问答任务。时间序列预测：预测金融市场、天气变化、交通流量等，捕捉长周期趋势，提高预测精度。基因组学与生物信息学：分析DNA序列、预测蛋白质结构，处理生物医学领域的长序列数据，助力科研发现。视频与音乐处理：理解和生成视频内容，创作音乐，保持长序列中的连贯性和风格一致性。