QED:让 query 参与线性注意力的擦除决策
论文:The Query Knows What to Forget: A Second Erase Direction for Linear Attention
作者:Dhruman Gupta、Aritra Das、Debayan Gupta(Truth Audit Labs)
版本:arXiv:2608.13668v1,提交于 2026-08-13;获取与研读日期:2026-10-30。
原文:本地 PDF · arXiv PDF
配套:英文汇报 PDF · 可编辑 Beamer 源文件
- 发表:未查到正式发表信息(截至 2026-10-30);arXiv 记录未列出会议或期刊,arXiv DOI 为预印本标识。
- 代码:未查到公开代码(截至 2026-10-30);论文未提供项目或实现链接。
论文总览
固定大小的线性注意力状态需要同时容纳很多历史关联,长上下文中的读取容易受到其他关联干扰。QED(Query-derived Erase Direction,查询派生擦除方向)在 Gated DeltaNet-2(GDN-2)的擦除向量中加入一个由 query 生成、与当前 key 正交的修正项。它让模型根据“当前怎样读取记忆”选择要从旧状态中取走的内容,同时维持一次 rank-one 状态更新。
最关键的机制是:沿 query 派生方向测量旧状态,再把负的测量值沿 key 写回,通过 query 与 key 的重叠改变当前输出。 因而,第二个“擦除方向”指的是选择旧内容的方向;状态改动仍沿 key 发生。这个区别解释了为什么 QED 能改变输出,却仍不能直接改变任意 key 正交探针的响应。
在 340M 参数、15B 训练 token、2048-token 训练窗口、两个种子的实验中,完整 QED 在 S-NIAH-1 的 4K、8K、16K、32K 四个外推长度上均优于 GDN-2。最大提升是 seed 1、16K 下的 38.6 个百分点(21.2% → 59.8%);FDA 文档召回分别增加 3.35、3.73 个百分点。验证损失和 SQuAD-completion 基本不变。消融最一致地支持“使用 query 生成修正方向”,门控与正交投影各自的收益则随训练种子变化。(Sec. 3、5–6;PDF pp. 3–8)
结构地图
下文页码均从 PDF 第一页开始计数,本版与印刷页码一致。
| 原文章节 | 在论证中的作用 | PDF 页码及关键证据 |
|---|---|---|
| 1 Introduction | 固定状态干扰与读写方向不匹配 | pp. 1–2 |
| 2 Background | DeltaNet → GDN → KDA → GDN-2 | pp. 2–3,式 (1)–(4) |
| 3.1 Motivation | 定义 QED 擦除向量 | p. 3,式 (5)–(6) |
| 3.2 The online learning perspective | 分解可编辑响应,推导输出修正 | pp. 3–4,式 (7)–(12) |
| 4.1 Ablation arms | 五个对照实验组 | p. 4,表 1 |
| 4.2 Training and evaluation | 训练预算、任务与推理强度干预 | p. 5 |
| 5.1 Language modelling quality | 是否改变整体语言建模损失 | p. 5,表 2 |
| 5.2 Long-context retrieval | 外推检索 | pp. 5–6,图 1;表 3 在 p. 7 |
| 5.3 Inference-time strength | 固定权重改变修正强度 | pp. 5–6;完整表 4 在 p. 10 |
| 5.4 Document recall | 短文档召回及理解对照 | p. 6,图 3 在 p. 8 |
| 6 Discussion / 6.1 Inference-time strength test | 消融解释、特征值诊断、种子差异 | pp. 6–8,图 2 在 p. 7 |
| 7 Conclusion and Further Work | 贡献及后续实验 | p. 8 |
| A The strength parameter / A.1 Inference-time strength test | 强度参数化与完整干预结果 | pp. 9–10,式 (13)–(15)、表 4 |
一:动机——读出的干扰未必由当前 key 选中
1.1 固定状态为什么会混入其他记忆
线性注意力把历史信息压缩到 $S_t\in\mathbb{R}^{K\times V}$,读取为 $o_t=S_t^\top q_t$。论文用经过衰减和历史擦除后的等效关联解释该输出:
这是式 (5)(PDF p. 3):一次检索不仅返回目标关联,也会返回所有与当前 query 有非零重叠的历史关联。增加上下文长度并不增加状态维度,因此干扰可能累积。这里的“干扰”是围绕目标检索作的解释;旧状态中的非目标内容仍可能对未来读取有用,不能把所有旧内容都当作应删除的数据。
1.2 原有改进主要围绕遗忘速率与 key 方向
| 方法 | 相对前一步的变化 | 对当前问题的意义 |
|---|---|---|
| 加法线性注意力 | $S_t=S_{t-1}+k_tv_t^\top$ | 写入新关联,但不先纠正旧关联 |
| DeltaNet | 擦除 key 下的旧值,再写入新值;二者共享 $\beta_t$ | 从累加变成误差修正 |
| GDN | 在 delta 更新前加标量衰减 $\alpha_t$ | 所有状态通道一起遗忘 |
| KDA | 衰减改为逐通道向量 | 不同 key 通道可保留不同时间尺度 |
| GDN-2 | 擦除门 $b_t$ 与写入门 $w_t$ 分离 | 可分别控制删旧与写新,但擦除选择仍由 gated key 给出 |
| QED | 在擦除选择中加入 gated query 的正交分量 | 让读取方向参与决定此次残差 |
这些关系对应 Sec. 2、式 (1)–(4),PDF pp. 2–3。论文也提到 Erase-then-Delta Attention 已解耦擦除与写入地址;QED 所强调的具体组合是 query 派生、复用擦除门、key 正交约束,以及保留单次 rank-one 更新,而不能把“解耦擦除与写入”本身视作本文独有的创新。
二:方法——读取旧内容的方向变了,写回方向仍是 key
2.1 先理解 GDN-2 的一次更新
| 符号 | 维度 / 约束 | 含义 |
|---|---|---|
| $S_t,\bar S_t$ | $K\times V$ | 更新后状态、仅做完衰减的旧状态 |
| $q_t,k_t$ | $K$;均做 L2 归一化 | 当前 query 与 key |
| $v_t,w_t$ | $V$;$w_t\in(0,1)^V$ | value 与逐通道写入门 |
| $b_t$ | $K$;$b_t\in(0,1)^K$ | 逐通道擦除门 |
| $g_t$ | $K$ | 对数衰减,$D_t=\operatorname{Diag}(\exp g_t)$ |
| $a_t,d_t$ | $K$ | 总擦除向量、QED 新增方向 |
| $\lambda_h$ | 每层每 head 一个标量 | 新增方向的可学习强度;下标省略了层号 |
| $\rho_t$ | 标量 $q_t^\top k_t$ | query 与 key 的重叠 |
定义 $\bar S_t=D_tS_{t-1}$。GDN-2 的式 (4)、(8) 可以写成:
先遗忘,再按 $b_t\odot k_t$ 读取需要擦除的旧值;把“准备写入的新值减去旧值”作为残差,沿 $k_t$ 写回。虽然 $b_t\odot k_t$ 未必与 $k_t$ 平行,整个状态改动的左因子始终是 $k_t$。(PDF pp. 2–4)
这也是在线学习视角的入口:普通 DeltaNet 可以解释为对 $\frac12\|S^\top k-v\|^2$ 做一次梯度更新,梯度为 $k(S^\top k-v)^\top$。GDN-2 与 QED 则在这一残差形式上增加了选择能力;本文主要给出代数分解,没有为 QED 另行推导一个显式优化目标。
2.2 QED 的计算步骤
论文式 (6) 定义:
投影公式利用了 $\|k_t\|_2=1$。计算顺序是先门控 query,再投影;逐通道门控通常不能与正交投影交换。随后仍使用原来的递推:
三个设计分别承担不同作用:query 提供与读取相关的内容选择;$b_t$ 控制各通道参与程度;正交投影保持 $a_t^\top k_t$ 不因新增项变化。前两者服务于内容选择,第三者提供明确的代数约束。实验并未证明三个部件各自都必不可少。(Sec. 3.1,PDF p. 3)
2.3 为什么 key 正交响应仍不能直接修改
任意一次 $\Delta S=k_tr_t^\top$ 更新,对于探针 $x$ 的响应变化都是
若 $x\perp k_t$,响应变化严格为零。这是式 (9) 的结构性结论,也适用于 QED,因为 QED 没有改变左侧的 $k_t$。(PDF p. 4)
将 $q_t=\rho_tk_t+q_t^\perp$,式 (10) 得到
最后一项是从 key 正交部分读出的旧状态内容。QED 不直接改写这个响应,而是在可编辑的 key 分量中加入负的测量值,从总输出中抵消一部分旧内容。
对相同的输入状态、$q,k,v,b,w,g$,论文式 (11)–(12) 给出:
这三个因子可以分别读作“擦除强度 × 当前可传到 query 的比例 × 被选中的旧内容”。此等式比较的是同一步、共同输入下的两种更新;独立训练模型的完整输出差异还包含其参数与历史状态的变化。
由公式可直接得到几个有助于理解的结论:
- $\rho_t=0$ 时,此步 QED 修正不改变当前输出,但仍可能改变状态,从而影响未来读取。
- 修正是向量减法,并不保证删除的恰好全是干扰;$d_t$ 还可能读到有用内容,$\rho_t$ 也可为负。
- 有逐通道 $b_t$ 时,$d_t$ 一般并非 $q_t^\perp$ 的简单缩放。即使 $q_t=k_t$,$P_{k_t}^\perp(b_t\odot q_t)$ 也未必为零。
以上是对式 (6)、(11)–(12) 的本次推导,不是新增实验结果。
2.4 一个二维教学例子
令 $K=2,V=1$,$k=(1,0)^\top$,$q=(0.6,0.8)^\top$,$b=(0.5,0.5)^\top$,$\bar S=(2,3)^\top$,$w\odot v=1$,$\lambda=0.2$。这是为解释机制构造的例子。
基线读取的旧值为 $\bar S^\top(b\odot k)=1$,恰好等于新值,因此基线残差为零,输出为 $3.6$。QED 有
所以新状态为 $(1.76,3)^\top$,输出变为 $3.456$,减少 $0.144=0.2\times0.6\times1.2$。第二个状态坐标没有改变;它读出的内容却参与决定了第一个坐标的修正。这个例子说明“测量方向”与“写回方向”可以不同。
2.5 正交投影究竟保留了什么
记擦除因子 $M_t=I-k_ta_t^\top$。它有 $K-1$ 个等于 1 的特征值,以及一个非平凡特征值
由于 $d_t^\top k_t=0$,QED 保持
这是本文“保留稳定性条件”背后可以直接确认的性质。(Sec. 3.1、6;PDF pp. 3、7)
本次分析的精确界定:保持的是擦除因子 $M_t$ 的这些特征值。完整递推包含逐通道衰减 $M_tD_t$,其谱并不能由 $a_t^\top k_t$ 单独决定;$M_t$ 也可能是非正规矩阵,谱在单位圆内不等于欧氏范数收缩。例如取 $k=(1,0)^\top$、$b=(0.5,0.5)^\top$、$q=(0,1)^\top$、$\lambda=0.2$,便得到
因此应把投影理解为一个具体的单步谱约束,避免把它扩大成任意状态轨迹的稳定性保证。
2.6 强度、训练与计算开销
附录 A、式 (13)(PDF p. 9)使用
初始强度约为 $0.0298$。$\theta$ 的学习率是主学习率的 10 倍;作者的 1B-token 试跑中,默认学习率下平均 $\lambda$ 的移动不到初值的 1%,这是提高其学习率的动机。每层每 head 一个强度参数,按 24 层、6 heads 计算,共增加 144 个此类标量。
训练与常规推理都使用相同的 QED 递推,$\lambda$ 固定为训练学得的参数,$q,k,b,w,g$ 则随 token 变化。令 $\lambda=0$ 可在公式层面恢复 GDN-2 更新;在已训练 QED 上把它归零,仍保留了 QED 训练出来的其余权重。
QED 不增加状态大小:每 head 仍为 $O(KV)$;额外构造方向为 $O(K)$,rank-one 状态读写仍为 $O(KV)$。作者将新增工作概括为每 token、每 head 一次点积和一次减法,并称可保留 GDN-2 kernel 结构。这支持低额外算量的判断,但本文没有报告吞吐、延迟或显存实测,不能据此给出具体速度百分比。
三:实验——比较方向选择,而不是扩大模型预算
3.1 训练配置与比较对象
所有主要实验组均报告为 340M 参数,在同一 15B-token 日程训练,分别使用 seed 0 和 seed 1。模型是 24 层 decoder,每块包含 GDN-2 与 SwiGLU,采用 RMSNorm;hidden size 为 1024,6 heads,head dimension 为 128,输入输出 embedding 共享。
数据为 FineWeb-Edu,使用 Llama-2 tokenizer;训练长度为 2048,global batch 为 524,288 tokens。AdamW 的主学习率为 $3\times10^{-4}$,WSD 日程在 13.5B tokens 开始衰减;训练使用 BF16 和 FP32 master weights。(Sec. 4,PDF pp. 4–5)
这里直接训练比较的基线是 GDN-2;DeltaNet、GDN、KDA 与 EDA 出现在方法背景中,没有在主结果中作为同预算独立实验行。
3.2 五个实验组隔离哪些因素
以下写成相对基线 $b_t\odot k_t$ 的新增项:
| 实验组 | 新增擦除项 | 对照作用 |
|---|---|---|
| GDN-2 | $0$ | 完整机制的基线 |
| QED-nogate-noproj | $\lambda_hq_t$ | 无门控、无投影的 query 修正 |
| QED-nogate | $\lambda_hP_{k_t}^\perp q_t$ | 与上一行比较投影;与 full 比较门控 |
| QED(full) | $\lambda_hP_{k_t}^\perp(b_t\odot q_t)$ | 完整机制 |
| QED-rand | $\lambda_hP_{k_t}^\perp(b_t\odot z_h)$ | $z_h$ 为每 head 固定随机单位向量;检验 query 方向的价值 |
“nogate”只移除新增项中的 $b_t$,基线原有擦除门仍在。投影对照是在无门控条件下做的;没有“保留门控、仅移除投影”的实验组,因此它不是完整的二因素析因设计。(表 1,PDF p. 4)
3.3 任务、指标与统计口径
| 评估 | 检验问题 | 本文口径 |
|---|---|---|
| 验证损失 | 整体下一 token 建模是否变化 | nats,越低越好;15B-token 终点 |
| RULER S-NIAH-1 | 从干扰上下文中找回单个目标信息;能否超出训练长度 | accuracy %,越高越好;每长度 500 个样本,1K–32K |
| FDA | 文档中已出现信息的提取 / 召回 | accuracy %;短文档,不是长度外推 |
| SWDE | 网页半结构化信息提取 / 召回 | accuracy %;短文档 |
| SQuAD-completion | 从给定段落完成答案,作为理解对照 | accuracy % |
| 强度干预 | 固定 QED 权重后,改变递推是否影响表现 | 各强度共享每长度 500 个确定样本,与 $s=1$ 做配对比较 |
FDA、SWDE 与 SQuAD-completion 的任务含义可参照 Based 原论文:分别涉及 FDA 文档键值提取、HTML 字段提取和段落答案补全。这一背景解释不等于 QED 已完整报告了相同的数据预处理与评分细节。
图 1 的误差条是 95% 二项区间,反映测试样本层面的不确定性;两条种子曲线另行展示训练差异。原文 Sec. 4.2 还列出 S-NIAH-2、S-NIAH-3,但本版结果与附录没有给出它们的分数,因此“全部外推长度改善”在这里指已报告的 S-NIAH-1。
四:结果——完整机制有效,组成部分的作用有差异
4.1 语言建模损失基本不变(原文 Sec. 5.1)
| Seed | GDN-2 | QED full | QED-rand | QED-nogate | QED-nogate-noproj |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 2.3714 | 2.3719 | 2.3712 | 2.3718 | 2.3724 |
| 1 | 2.3746 | 2.3735 | 2.3735 | 2.3733 | 2.3741 |
来源:表 2,PDF p. 5;单位为 nats,越低越好。完整 QED 相对基线的变化分别是 $+0.0005$ 和 $-0.0011$ nats,十次运行的总跨度仅 $0.0034$ nats。这组结果支持“收益集中在检索能力”的解释。
4.2 长上下文检索:四个外推长度均改善(原文 Sec. 5.2)

原图 1,PDF p. 6。横轴是上下文 token 长度,纵轴是准确率;左右面板分别为 seed 0、seed 1。灰色竖虚线标记 2K 训练窗口,蓝色 QED 曲线在其右侧始终高于灰色 GDN-2 曲线。先看蓝灰差距,再看其他实验组随种子发生的排序变化。
| 长度 | Seed 0:GDN-2 → QED | 提升(百分点) | Seed 1:GDN-2 → QED | 提升(百分点) |
|---|---|---|---|---|
| 1K | 100.0 → 100.0 | 0.0 | 100.0 → 100.0 | 0.0 |
| 2K | 99.0 → 100.0 | +1.0 | 95.6 → 99.6 | +4.0 |
| 4K | 93.4 → 99.6 | +6.2 | 79.2 → 96.0 | +16.8 |
| 8K | 64.4 → 91.6 | +27.2 | 50.6 → 84.2 | +33.6 |
| 16K | 21.8 → 39.8 | +18.0 | 21.2 → 59.8 | +38.6 |
| 32K | 9.4 → 15.8 | +6.4 | 6.0 → 30.2 | +24.2 |
来源:表 3,PDF p. 7;箭头两端为 accuracy %,差值由该表相减。引言中的“最高约 39 点”对应 38.6 个百分点,不是相对提高 39%。
如何理解“可用上下文约翻倍”? 作者在 Sec. 6 将其概括为约 8K → 16K,但没有给出统一的“可用”阈值。seed 1 中 QED 的 16K 准确率 59.8% 高于基线 8K 的 50.6%,支持这一描述;seed 0 中对应值为 39.8% 与 64.4%,不满足同一个比较。因而更稳妥的主结论是检索曲线整体改善,具体可用长度仍由所需准确率和训练结果决定。32K 下 full QED 也只有 15.8% / 30.2%,不能读成可靠的 32K 检索。
4.3 推理强度:一个 checkpoint 明显依赖修正,另一个不敏感(原文 Sec. 5.3、附录 A.1)
作者冻结训练权重,将所有 $\lambda_h$ 替换为 $s\lambda_h$,$s\in\{-1,0,0.5,1,1.5,2\}$。$s=-1$ 反向,$s=0$ 移除,$s=1$ 为训练设定,$s=2$ 加倍。改动贯穿 prefill 和 decoding,因此改变整条状态轨迹。
| $s$ | Seed 0:16K | 相对 $s=1$(百分点) | Seed 1:16K | 相对 $s=1$(百分点) |
|---|---|---|---|---|
| −1 | 39.8 | −2.0 | 44.8 | −20.8 |
| 0 | 41.4 | −0.4 | 55.0 | −10.6 |
| 0.5 | 42.0 | +0.2 | 61.0 | −4.6 |
| 1 | 41.8 | 0.0 | 65.6 | 0.0 |
| 1.5 | 41.6 | −0.2 | 69.8 | +4.2 |
| 2 | 43.6 | +1.8 | 73.0 | +7.4 |
来源:表 4,PDF p. 10;准确率 %。训练后的平均 $\lambda$ 分别约为 0.101、0.120。seed 1 在 4K、8K、16K、32K 上均随强度递增而改善;seed 0 的各长度变化相对训练设定最多 2.4 个百分点,且没有一致方向。FDA 的变化也不单调。
这个干预回答的是“特定训练结果在推理时是否依赖修正”。它不能单独说明训练时的 $\lambda_{\max}=0.25$ 已经成为瓶颈,因为重新训练会同时改变 $\theta$ 与其他参数。尤其 $s=0$ 的 QED 模型不等于独立训练的 GDN-2。
表 4 的 $s=1$ 与主表 3 的 QED 分数并不一致:例如 seed 1 的 16K 是 65.6% 对 59.8%,seed 0 是 41.8% 对 39.8%;论文没有说明这些差异的原因。这里仅在表 4 内部比较强度,避免把两张表拼成同一次评估。作者说明采用 exact McNemar test,但没有给出配对计数或 p 值,不能从边际准确率自行补出显著性判断。
4.4 短文档召回:FDA 增益稳定,另外两项没有一致改善(原文 Sec. 5.4)
| 任务 | Seed 0:GDN-2 → QED | 变化(百分点) | Seed 1:GDN-2 → QED | 变化(百分点) |
|---|---|---|---|---|
| FDA | 4.45 → 7.80 | +3.35 | 4.26 → 7.99 | +3.73 |
| SQuAD-completion | 29.39 → 29.29 | −0.10 | 32.37 → 32.21 | −0.16 |
| SWDE | 19.08 → 21.51 | +2.43 | 19.62 → 19.62 | 0.00 |
来源:表 3,PDF p. 7。FDA 的相对增幅虽大,但绝对准确率仍约 8%,保留绝对数值更有助于判断实际表现。SWDE 仅 seed 0 有改善,原文将其视作没有一致收益。

原图 3,PDF p. 8。上面板是 FDA,下面板是 SQuAD-completion;横轴为实验组,实心与空心标记区分两个种子,误差条为原图的 95% 区间。FDA 中完整 QED 位置最高;理解对照中的差异没有形成相同模式。文档较短,因此这组证据说明的是记忆访问能力,不是扩大了输入窗口。
4.5 消融:query 方向有一致优势,门控与投影尚无稳定结论(原文 Sec. 6)

原图 2,PDF p. 7。四个面板从左到右分别比较 full−baseline、full−rand、full−nogate、nogate−nogate-noproj;纵轴为准确率百分点差,零线表示无差别。实心为 seed 0,空心为 seed 1。
用 8K 的具体值可以看清各项含义:
| 对照 | Seed 0 差值 | Seed 1 差值 | 读法 |
|---|---|---|---|
| QED − GDN-2 | +27.2 | +33.6 | 完整机制在两次训练中均有收益 |
| QED − QED-rand | +25.6 | +2.2 | query 方向优于固定随机方向,但优势大小不同 |
| QED − QED-nogate | +40.4 | −3.4 | 门控收益发生反转 |
| QED-nogate − QED-nogate-noproj | −39.8 | +70.4 | 无门控条件下,投影收益发生显著的方向反转 |
这些是表 3 的点估计差值,不表示每一项都通过统计显著性检验。query 方向的优势在所有已测外推长度、两个种子中均为正,是较一致的组成部分证据。
随机方向对照并非总回到基线:seed 1 在 16K 下,GDN-2、QED-rand、QED 分别是 21.2%、47.0%、59.8%。这说明 query 选择优于该随机对照,但不能说“只有 query 方向才可能产生收益”。此外,无门控无投影组在 seed 1 的 4K / 8K / 16K / 32K 为 42.2 / 17.2 / 44.2 / 29.8%,表现非单调;它进一步显示单次训练不足以给部件排序。
作者随后检查无投影模型的 $e_t=1-a_t^\top k_t$。在两个无投影模型的 1.18M 个 token-head 样本中,报告区间为 $[-0.011,0.985]$,没有观测到 $|e_t|>1$;无投影时理论宽界则为 $[-0.25,1.25]$。作者据此认为,当前训练结果尚未明显进入投影想要阻止的区域。(Sec. 6,PDF p. 7)
这里有一个需澄清的数值口径:原文同时称反事实投影使该特征值变化小于 $10^{-3}$。若这是同一批样本的逐样本上界,则它与最小值 $-0.011$、投影后 $e_t\in(0,1)$ 不能同时成立;原文未说明它是否是均值等统计量。因此可引用观测区间,但不宜把“小于 $10^{-3}$”直接当作对所有样本成立的结论。
五:结论——把读取信号引入状态维护
QED 最有启发性的地方,是将 query 从读取端引入擦除决策:状态更新仍沿 key 写回,但写回的残差可以利用 query 对旧状态的测量。 它通过一个小的向量改动保留固定状态容量和 rank-one 结构,且在匹配训练预算下改善了 S-NIAH-1 与 FDA。
机制推导与实验应分两层理解。式 (11)–(12) 精确描述了共同输入下的局部作用;两个种子的主实验支持训练完整 QED 的收益。推理强度干预仅在一个种子中呈现明显的单调响应,说明训练后的依赖方式存在差异。门控与投影的单独价值、最优强度、以及投影约束何时真正起作用,仍需要更有针对性的实验。
最值得继续做的工作,是增加训练种子并进行训练期 $\lambda_{\max}$ 扫描,同时补齐“有门控、无投影”这一对照,测量真实 kernel 开销。机制上可进一步记录 $\rho_t$、$\bar S_t^\top d_t$ 与多步状态放大之间的关系,判断收益究竟来自当步抵消、长期状态塑形,还是两者共同作用。原文只展示了 340M 规模与 S-NIAH-1 的长度曲线,当前证据应据此使用。