Back to Blog LOTUS:用循环 Transformer 弥合隐式推理与显式推理的鸿沟

LOTUS:用循环 Transformer 弥合隐式推理与显式推理的鸿沟

Paper
LLM 推理Latent CoT循环 Transformer 2026年7月13日·Microsoft Research / ETH Zürich / KRAFTON

让模型"先想一想再回答"已经成为提升能力的头号杠杆——但每多想一个 token,就多一次完整的前向传播。Chain-of-Thought 越长,效果越好,账单也越贵,延迟也越高。

隐式推理(Latent CoT)承诺解决这个问题:不把中间步骤逐字写出来,而是在隐藏状态里"无声地思考"。听起来很美,但现实残酷——现有的隐式推理方法一过 1B 参数就掉链子,模型越大,与显式 CoT 的差距越大。

LOTUS 把这个局面翻了盘:首次在 3B 规模上匹配显式 CoT 的准确率,同时快 2.5 到 6.9 倍。

一句话总结:循环 Transformer(并行打磨隐向量)+ 直接用 gold CoT token 做交叉熵监督——两个看似简单的设计组合,首次让隐式推理在 3B 规模上不输显式推理。
figure
图1:LOTUS 总览。左:padded latent prefix 经循环 backbone 并行迭代 R 轮,隐向量直接由基础 LM head 用 gold CoT token 监督。右:3B 规模上 LOTUS 匹配显式 CoT,同时推理延迟大幅降低。

先看清楚:现有隐式推理为什么失败

作者对现有方法的诊断非常清晰,两个病灶:

病灶一:序列生成瓶颈(P1)

Coconut、CODI、SIM-CoT 这些方法虽然把离散 token 换成了连续向量,但生成方式依然是逐 token 自回归——每产生一个隐式"思维片段",就要跑一次完整的前向传播。

这意味着什么?CoT 的 O(N) 延迟被原封不动搬进了隐空间。省掉的只是 token 解码的算力,速度上没有本质优势。隐式推理的核心卖点——效率——根本没兑现。

病灶二:缺乏 CoT 对齐信号(P2)

显式 CoT 有一个天然优势:每一步对应一个具体 token,训练信号精确而稳定。隐式推理的连续向量缺乏这种对齐——它们应该"表示"推理步骤,但没有任何直接监督告诉它们该表示什么。

结果就是训练漂移:模型越大,隐向量越容易学到捷径而不是推理。这解释了为什么现有方法在 1B 以上规模全线溃败——不是隐式推理本身不行,是监督信号不行。

LOTUS 的方案:两招破局

figure
图2:LOTUS 架构细节。K 个 latent block(每块 c 个可学习 token)作为 padded prefix 并行注入序列,同一套权重循环迭代 R 轮打磨,最终隐向量直接送入基础 LM head 做 CoT token 监督。

第一招:循环 backbone,打破序列瓶颈

不再逐 token 自回归生成隐向量。LOTUS 把 K 个可学习的隐式 block(每块含 c 个 token)一次性并行塞进序列,然后用同一套 Transformer 权重反复"打磨" R 轮。

关键在于 R 远小于显式 CoT 的 token 数 N。原来 N 步的推理链,现在 R 轮并行迭代搞定——这就是延迟优势的来源。循环深度(recurrent-depth)设计不是空想,Geiping、Zhu、Zeng 等人的工作已经验证它可以扩展到十亿参数级别。

第二招:直接监督,解决对齐问题

这是全文最亮眼的洞察。LOTUS 不搞教师蒸馏,不搞 KV cache 压缩,不搞对比学习——它直接把循环后的隐向量送进基础模型自己的 LM head,用 gold CoT token 做交叉熵监督

每个隐式位置对应一个真实的推理步骤 token,损失函数和显式 CoT 训练一模一样。隐式推理第一次获得了和显式 CoT 同等精确的训练信号。

P1 由循环并行解决,P2 由直接监督解决。两个病灶,两招药,一一对应。好的研究就是这样——诊断清楚了,方案自然浮现。

两种监督路由

变体监督路径特点
LOTUS(直连)循环后隐向量 → 基础 LM head → CoT token 交叉熵零额外参数,小模型上更鲁棒
LOTUS-aux(辅助解码器)隐向量 → 辅助解码器(teacher-forcing)→ CoT token训练时增加解码器,推理时完全撤除

两种路由在 3B 上都能匹配显式 CoT,但直连版在更小规模上依然稳健——简单的方案反而更抗打。

实验:三个关键结果

第一战:3B 规模上的正面对决

figure
图3:主结果。LOTUS 在 Llama-3.2-3B-Instruct 上 GSM8K 准确率距显式 CoT 不足 1 个百分点,OOD 数据集(GSM-Hard、SVAMP)平均表现反超显式 CoT;此前的隐式方法(Coconut、CODI、PCCoT 等)全部大幅落后。

在 Llama-3.2-3B-Instruct 上,LOTUS 的 GSM8K 准确率距离显式 CoT 不到 1 个百分点——而且在两个分布外数据集(GSM-Hard、SVAMP)上的平均表现反超了显式 CoT。

对比之下,之前的隐式方法在这个规模上全线溃败,差距大到论文里都不好意思画进同一张图的方法不在少数。

第二战:速度

思考阶段延迟:数学表达式 CoT 场景下降至显式 CoT 的 1/2.5;自然语言 CoT 场景下降至 1/6.9

规律很清晰:CoT 越啰嗦,LOTUS 优势越大——因为它的计算量与 CoT 长度几乎解耦,只取决于循环轮数 R 和 latent budget c。真实场景里的推理链恰恰是自然语言、恰恰很啰嗦,所以 6.9 倍才是更接近实际的数字。

第三战:隐空间里到底装了什么

figure
图4:隐空间表征分析。左:直接用基础 LM head 读出 LOTUS 的隐向量,能恢复 gold CoT 的推理步骤。右:隐空间同时编码了训练中未见过的等价推理路径——模型在隐空间里做多路径推理。

这是全文最出人意料的部分。把 LOTUS 循环后的隐向量直接通过基础 LM head 解码——读出来的就是 gold CoT 的推理步骤。隐空间不是黑箱。

更神奇的是第二个发现:隐空间还编码了模型从未见过的等价推理路径。同一道数学题,隐空间中同时保留了多种不同解法的概率质量,最终输出的只是最高概率的那条。

LOTUS 的隐空间不是在"压缩"一条推理链,而是在并行探索一个推理空间。这可能是隐式推理超越显式推理的真正潜力所在——显式 CoT 一次只能走一条路,隐式推理可以同时走多条。

消融:哪些设计真正重要

  • 去掉循环 backbone(换普通前馈)→ 准确率暴跌。并行迭代打磨是必需的。
  • 去掉 CoT token 监督(只留答案监督)→ 同样暴跌。两个 loss 角色互补:step loss 教推理,answer loss 教落地。
  • 循环轮数 R 和 latent 宽度 c:都不是越大越好,存在最优区间。
  • 推理时自适应压缩:训练用大 c、推理时缩小 c,准确率仅损失不到 1 个点——模型学会了在更紧凑的隐空间中压缩推理信息。这对部署非常友好。

局限与判断

作者坦承的局限:目前只在数学推理(GSM8K 系列)上验证;能否推广到代码生成、多跳问答、多模态推理还是未知数。3B 虽然打破了过去的规模魔咒,但距离生产级的几十 B 模型还有验证距离。

我的判断:这篇论文最大的价值不是那几个百分点的准确率,而是证伪了"隐式推理做不大"这个流行结论。之前的失败不是隐式推理的原罪,而是监督信号设计的失败。方向修正之后,这条路重新打开了。

对推理成本敏感的场景——高并发服务、端侧部署、agent 的内部思考循环——2.5 到 6.9 倍的加速是实打实的钱。而隐空间多路径推理的发现,则暗示了一个更远的未来:隐式推理不需要成为显式 CoT 的廉价替代品,它可能是更好的推理方式。

Tags: #Blog