最新发现，每参数3.6比特，语言模型最多能记住这么多

tayun

GPT 系列模型的记忆容量约为每个参数 3.6 比特。

语言模型到底能记住多少信息？Meta、DeepMind、康奈尔大学和英伟达的一项测量结果显示：每个参数大约 3.6 比特。一旦达到这个极限，它们就会停止记忆并开始泛化。

长期以来，记忆与泛化之间的模糊性一直困扰着对模型能力和风险的评估，即区分其输出究竟源于对训练数据的「记忆」 （对其训练数据分布的编码程度） ，还是对潜在模式的「泛化」理解 （将理解扩展到未见过的新输入）。 这种不确定性阻碍了在模型训练、安全、可靠性和关键应用部署方面的针对性改进。

这就好比我们想知道一个学生考试得了高分，是因为他真的理解了知识点（泛化），能够举一反三，还是仅仅因为他把教科书上的例题和答案都背下来了（记忆）。

基于此，研究团队提出了一种新方法，用于估计一个模型对某个数据点的「了解」程度，并利用该方法来衡量现代语言模型的容量。

• 论文标题：How much do language models memorize?
  
• 论文地址：https://arxiv.org/pdf/2505.24832
  

研究团队从形式上将记忆分为两个组成部分：

• 非预期记忆—— 模型包含的关于特定数据集的信息；
  
• 泛化—— 模型包含的关于真实数据生成过程的信息。
  

通过消除泛化部分，可以计算出给定模型的总记忆量，从而估计出模型容量：测量结果估计，GPT 系列模型的容量约为每个参数 3.6 比特。

研究团队在规模不断增大的数据集上训练语言模型，观察到模型会持续记忆，直到其容量饱和，此时「顿悟」（grokking）现象开始出现，非预期记忆随之减少，模型开始泛化。也就是说，在海量数据上训练的语言模型根本不可能记住所有训练数据，因为根本没有足够的容量。

研究团队训练了数百个参数量从 50 万到 15 亿不等的 Transformer 语言模型，并由此提出了一系列关于模型容量、数据规模与成员推断之间关系的 scaling law。

研究团队还借鉴了「信息论之父」 Claude Shannon 1953 的一项重要工作《The Lattice Theory of Information》的一些理论。该论文将他早期关于信息论中熵和信道容量的概念，与数学中的格理论联系起来，为理解和处理复杂信息系统提供了新的视角。

这项研究激发了社区对蒸馏、量化、模型安全等方面的思考。

两种「记忆」：非预期记忆和泛化

在论文中，作者希望找到一个方法来量化模型对特定数据点的记忆程度，并且这种记忆定义要满足以下几点：

• 与泛化区分开；
  
• 能够针对具体的数据样本；
  
• 不依赖于具体的训练算法；
  

统计学视角下的记忆定义

作者从信息论的角度出发，利用「互信息（Mutual Information）」来定义记忆。

在论文中，大写字母（例如 X、Θ）用来指代随机变量，小写字母用来指代随机变量的实例（例如 x  X 和 θ  Θ）。

信息论已经为随机变量发展出了被广泛理解的信息概念。对于随机变量 X，通常使用 H (X)，即 X 的熵，来定义 X 中存在的信息量。此外，对于两个不同的随机变量 X、Y，可以将 X | Y 定义为在固定 Y 后 X 中剩余的不确定性。定义了这个量之后，现在可以通过从总信息中减去剩余信息来测量 X 和 Y 之间的互信息：I (X, Y) = H (X)  H (X | Y)。

现在假设有一个机器学习 pipeline。作者有一个关于底层模型的先验 Θ，它捕获了作者的数据集分布 X。作者有一个学习算法 L，它将来自 X 的样本映射到训练好的模型

。为了理解有多少关于 X 的信息存储在

中，作者可以使用互信息的概念：

注意这捕获了存储在

中的关于 X 的所有信息。正如前面所讨论的，记忆的概念需要同时考虑泛化。因此，当测量非预期记忆时，作者只对 X | Θ 中存在的信息感兴趣，这是在固定 Θ 后 X 中剩余的不确定性。

因此，可以将非预期记忆化定义为：

然后泛化（或预期记忆）应该是：

现在作者已经定义预期和非预期记忆的概念，作者将注意力转向实际测量它们。让作者首先陈述一个能够非预期记忆的命题：

命题 1（非预期记忆的 Super-additivity）。 假设 X = (X_1, . . . , X_n) 是 n 个独立同分布样本的数据集。作者有:

这个命题表明，为了测量数据集级别非预期记忆的下界，可以将每个样本的记忆相加。另一方面，训练模型本身的信息内容的熵作为非预期记忆的上界。这个命题的另一个含义是，非预期记忆应该随数据集大小 scale，但不能超过模型的总容量。

用 Kolmogorov 复杂度测量非预期记忆

到目前为止，论文对记忆和泛化的定义使用的是基于「熵」的信息概念。这意味着该定义只能用于随机变量。这在测量记忆方面带来了很大挑战。在记忆定义中，所有的变量都是单例。作者有一个单一的底层模型 θ，作者有一个单一的数据集 x = (x_1, . . . , x_n)，作者有一个单一的训练模型

。使用单个样本测量底层变量的熵（更不用说条件熵）是不可能的。

为此，论文转向另一种基于压缩的信息概念，然后展示这种概念如何密切近似上面定义的记忆概念。Kolmogorov 复杂度将字符串 x 的信息内容定义为 H^K (x)，即 x 在给定计算模型中的最短表示长度。类似地，作者可以将剩余信息 x | θ 定义为当作者有 θ 作为参考时 x 的最短表示。而 x | θ 的信息内容，记为 H^K (x | θ)，是这种描述的长度。然后，作者可以用类似的方式定义互信息：

定义 2（Kolmogorov 复杂度）。设 f 是一个任意的计算模型，它接受一组输入并返回一个输出（例如通用图灵机）。相对于计算模型 f 的 x 的最短描述定义为

。同样，x 相对于另一个字符串 θ 的 Kolmogorov 复杂度定义为

。论文通过

定义 x 和 θ 之间的 Kolmogorov 互信息。假设输入是比特串，|p | 是输入的比特长度。

定义 3（Kolmogorov 记忆）。设 θ 是一个近似数据真实分布的参考模型，

是在数据集 x = (x_1, . . . , x_n) 上训练的模型。对于每个 x_i，论文将 x_i 在

中的记忆定义为

。论文还将记忆的预期与非预期变体定义为：

已知 Kolmogorov 复杂度和 Shannon 熵之间存在联系。这些结果指出了两个概念之间的概念联系，并暗示

。有趣的是，这意味着论文中的 Kolmogorov 记忆概念密切近似 Shannon 记忆。

命题 4。设 X = (X_1, . . . , X_n) 是由真实模型 θ 参数化的独立同分布数据集分布。设 L 是将 X 映射到

的训练算法。假设

且

。那么有

对于某个独立于 θ、、' 和 n 的常数 ε。此外，有尾界：

用似然度估计 Kolmogorov 复杂度

确定了 Kolmogorov 记忆概念后，现在描述如何在不同设置中估计 H^K。注意，Kolmogorov 复杂度的精确计算是已知不可计算的（其判定版本是不可判定的）。然而，仍然可以使用最佳可用压缩方案来近似它。在论文中， 作者总结了如何近似定义中的每个项。

模型记忆容量

非预期记忆为作者提供了一种有原则的方法，用以衡量模型 θ 对某一数据点 x 所掌握的确切比特数。

如果将数据集中每个数据点的信息加起来，就可以衡量模型对整个数据集所掌握的总比特数。并且，在由于每个数据点完全独立而无法进行泛化的情况下，可以通过对每个数据点的非预期记忆进行求和来估计给定模型 θ 的容量。

定义模型容量

作者首先对特定语言模型 θ 的这种记忆容量概念进行形式化。容量是指在 θ 的所有参数中可以存储的记忆总量。

定义 5 (容量)：设 X 为一个分布， L:X→Θ 为一个学习算法。作者将学习算法 L 的容量定义为：

当达到模型容量时，mem (X,L (X)) 将不再随数据集大小的增加而增加。在实践中，作者可以通过在不同大小的 X 上训练至饱和，并计算最大记忆量来计算容量。

用合成序列测量模型容量

作者测量了 Transformer 语言模型的容量，目标是实例化多个数据集和分布，并在训练单个模型 θ 时测量它们所产生的记忆量。

然后，取所有数据集上的最大值来近似模型的容量。为了实例化数据集，每个标记都从一个预定义的标记集合中均匀采样，且与前面的标记无关。

为了近似

，可以直接计算在训练好的模型下的熵，以计算以

为条件的数据集的最短描述。将两者相减，可以近似得到非预期记忆

。由于采样数据的过程是完全随机的，因此在

中没有泛化信息可供存储，也就是说，

。

观察到当我们从均匀分布中采样合成序列时，可以精确地计算它们的香农信息。给定数据集大小 N，构建一个包含 N 个序列的数据集，每个序列包含 S 个标记。给定词汇表大小 V，可以通过

计算具有这些参数的数据集

的总熵。然后，使用在

下的熵计算

的压缩形式，以计算编码长度，并将其用作

的近似值。接着，作者计算

，并将模型容量计算为所有数据集上的最大记忆量。

实验

实验结果

图 2 展示了不同模型规模和数据量下的记忆情况。这样，便可以将不同数据集规模 (x 轴) 下的非预期记忆量 (y 轴) 进行可视化，并按模型规模 (线条颜色) 分组。研究中观察到，一旦模型达到其容量上限，便会出现一个明显的平台期。当数据集足够大时，无论数据规模如何，模型的净记忆量都会达到一个上限。对于容量充足的模型而言，小型数据集会被完全记忆。

文中将每个模型的容量，估计为在所有数据集规模上测得的最大非预期记忆比特数。随后，在图 6 中将这一容量与模型规模进行了比较。有趣的是，即便在当前这种小规模实验中，也能观察到所测容量（即在所有数据集上测得的最大记忆量）与模型参数数量之间，存在一种非常平滑的对应关系。图 6 中呈现了这种关系：在当前的实验设置下，文中所述模型每参数能稳定记忆 3.5 至 3.6 比特的信息。

这印证了先前研究的发现，即事实性信息的存储量与模型容量成线性关系。文中的估计值略高于 Allen-Zhu & Li (2024) 的结果 —— 他们通过量化方法估计模型每参数约可存储 2 比特信息。

由于模型是通过梯度下降进行学习的，因此并不能保证找到全局最优解；所以，作者所测量的始终是模型容量的一个下限。作者进一步仔细研究了训练曲线，以分析一个包含 800 万参数的语言模型的收敛情况。图 6 展示了模型在训练过程中的收敛动态。

可以看到，对于样本量从 16,000 到 400 万的各个数据集，其记忆的比特数均在 3.56×10^6 到 3.65×10^6 的范围内。这表明测量结果在一个数量级内具有稳健性，并且作者认为，即使进行更多的训练迭代，模型能记忆的信息量也不会有显著增加。这一发现也印证了作者的假设：即模型的容量与参数数量大致成正比。

其中，两个最大的数据集（样本量分别为 400 万和 800 万），其收敛后的总记忆量分别为 2.95×10^6 和 1.98×10^6 比特。作者预计，若进行更多轮次的训练，这些模型所记忆的数据总量将继续向其容量上限增长。

精度如何影响容量？

一个很自然的问题是：对 α 的估计值，在多大程度上取决于语言模型训练时所用的精度？

事实上，尽管多数软件默认采用 32 位精度进行训练，但近期研究已表明，即使将语言模型量化到每参数不足 2 比特的水平，它们仍能保留大部分原有功用。

鉴于所有其他实验均在 bfloat16 精度下进行，作者特地在完整的 fp32 精度下重做了这些实验，以分析其对容量的影响。

结果显示，对于不同规模的模型，容量均略有提升，α 的平均值也从 3.51 比特 / 参数增加到了 3.83 比特 / 参数。

这一增幅远不及参数 θ 比特数实际达到的两倍增长，这表明，当精度从 bfloat16 提升至 float32 时，模型中增加的额外比特，大部分并未被用于原始数据的存储。


来源：36kr