Attention Architecture Evolution

导言

Attention 的发展并不是从 Full Attention 排成一条单向淘汰链。更准确的结构是三条并行路线：共享或压缩 KV cache、把历史压入固定状态、对历史 token 做稀疏选择。MQA、GQA 与 MLA 仍然读取全部历史；GDN 与 KDA 改写了记忆算法；DSA 则在 MLA 前增加轻量索引器，只让主注意力读取 top-k。

本文以首个公开论文或官方发布日为时间点，并把每种结构落到版本固定的开源代码：Q/K/V 从哪里产生、什么对象进入 cache、score 如何形成、复杂度到底被搬到了哪里。

结论¶

先给出最重要的判断：

Full/MHA、MQA、GQA、MLA 是同一 dense softmax 家族中的不同 KV 组织方式。后三者主要减少 KV cache 或带宽，并不自动把全部 token 两两交互变成线性复杂度。
GDN 与 KDA 属于递归状态路线。历史不再以逐 token K/V 保存，而是写入固定大小矩阵状态；KDA 把 GDN 的 head-wise 标量遗忘细化为 key-channel-wise 对角遗忘。
DSA 属于 token 稀疏路线。Lightning Indexer 仍扫描历史并产生 top-k，主 MLA 才只读取选中位置，所以“主注意力稀疏”不等于整个模块没有历史扫描成本。
公开时间并不等于概念顺序。DSA 于 2025 年 9 月公开，KDA 于 2025 年 10 月公开；本文按真实时间线排列，而不是按缩写的相似度排列。

Attention 的三条演进路线 — 小黑认知示意图：Attention 优化的核心不是统一“少算一点”，而是在共享、压缩、固定状态与稀疏选择之间重新组织历史记忆。

时间线¶

首次公开	结构	首个一手来源	主要变化	历史表示
2017-06-12	Full Attention / MHA	Attention Is All You Need¹	每个 Query head 拥有独立 K/V，读取全部历史	完整 K/V cache
2019-11-06	MQA	Fast Transformer Decoding: One Write-Head is All You Need²	多个 Q head 共享一组 K/V	单组 K/V cache
2023-05-22	GQA	GQA: Training Generalized Multi-Query Transformer Models³	Q head 分组共享 K/V	多组 K/V cache
2024-05-07	MLA	DeepSeek-V2⁴	K/V 联合低秩压缩，解耦 RoPE	`cKV + kR`
2024-12-09	GDN	Gated Delta Networks⁵	head-wise 衰减的 delta-rule 固定状态	`S ∈ R^(K×V)`
2025-09-29	DSA	DeepSeek-V3.2-Exp⁶	Indexer 选 top-k，主 MLA 稀疏读取	MLA cache + Indexer K
2025-10-30	KDA	Kimi Linear⁷	key-channel-wise 对角衰减的 delta-rule	`S ∈ R^(K×V)`

Full Attention 与 MHA

Full Attention 描述 token 连通性：每个位置可读取全部允许的历史位置；MHA 描述 head 组织：每个 Query head 拥有独立 K/V head。自回归解码器通常同时使用 causal Full Attention 和 MHA，因此工程讨论里经常连写，但两者不是完全同义词。

三条演进路线¶

定义：序列长度为 T，Query head 数为 Hq，KV head 数为 Hkv，head 维度为 d，MLA 的 KV latent 维度为 r，DSA 选出的历史位置数为 k。

结构	Token 连通性	随 `T` 增长的主要缓存	单步 decode 主计算	优化焦点
Full/MHA	Dense	`2 × T × Hq × d`	`O(T × Hq × d)`	基线
MQA	Dense	`2 × T × d`	`O(T × Hq × d)`	KV cache 与带宽
GQA	Dense	`2 × T × Hkv × d`	`O(T × Hq × d)`	质量与 KV 成本折中
MLA	Dense	`T × (r + d_rope)`	仍扫描全部历史 latent	低秩 KV cache
GDN	Recurrent	与 `T` 无关的 `H × K × V` 状态	`O(H × K × V)`	固定状态
KDA	Recurrent	与 `T` 无关的 `Hv × K × V` 状态	`O(Hv × K × V)`	更细粒度遗忘
DSA	主注意力 top-k	MLA cache + Indexer K	Indexer 扫描 `T`，主 MLA 读取 `k`	长上下文主计算稀疏化

这张表解释了一个常见误区：KV cache 更小、token 连通性更稀疏、算法复杂度更低是三个不同命题。MQA/GQA 改第一个，DSA 改第二个，GDN/KDA 改第三个所依赖的历史表示。

代码阅读约定

下文代码块从固定 revision 的开源实现中摘取决定语义的关键行；为了聚焦 Q/K/V、cache 和状态更新，省略了异常处理、并行通信、shape 检查和部分无关参数。变量名与核心运算保持源码一致，脚注链接到完整文件和行号。

Dense Softmax 家族¶

Full Attention¶

对输入 X，每个 head 独立计算：

Qh = X WQh,  Kh = X WKh,  Vh = X WVh
Ah = softmax(Qh Kh^T / sqrt(d) + causal_mask)
Oh = Ah Vh
O  = concat(O1, ..., OH) WO

Hugging Face 的 Llama eager 实现把投影、score、softmax 和 value 聚合完整暴露出来：⁸

query_states = self.q_proj(hidden_states).view(hidden_shape).transpose(1, 2)
key_states = self.k_proj(hidden_states).view(hidden_shape).transpose(1, 2)
value_states = self.v_proj(hidden_states).view(hidden_shape).transpose(1, 2)

attn_weights = torch.matmul(query, key_states.transpose(2, 3)) * scaling
attn_weights = nn.functional.softmax(attn_weights, dim=-1, dtype=torch.float32)
attn_output = torch.matmul(attn_weights, value_states)

Full Attention QKV 计算逻辑 — Full/MHA：每个 Query head 拥有独立 K/V，并对全部可见 token 计算 dense score；decode cache 随 `T × Hq` 增长。

瓶颈有两层：prefill 需要形成 T × T score；decode 虽然每步只有一个新 Query，却要读取越来越长的 K/V cache，常被显存带宽限制。

MQA¶

MQA 保留 Hq 个 Query head，但只生成一组 K/V：

Qi = X WQi,  K = X WK,  V = X WV
Ai = softmax(Qi K^T / sqrt(d))
Oi = Ai V

Llama 的同一个实现通过 num_key_value_heads 表达 MHA、GQA 与 MQA。MQA 的配置边界是 num_key_value_heads = 1；repeat_kv 只创建与 Query head 对齐的计算视图，不代表 cache 中保存了 Hq 份 K/V：⁸

self.num_key_value_groups = (
    config.num_attention_heads // config.num_key_value_heads
)
key_states = repeat_kv(key, module.num_key_value_groups)
value_states = repeat_kv(value, module.num_key_value_groups)

MQA QKV 计算逻辑 — MQA：多个 Query head 对同一组 K/V 做 attention。逻辑 score 数量仍由 `Hq` 决定，但 KV cache 从 `Hq` 组降为 1 组。

MQA 的优势集中在 decode cache 和内存读取。代价是所有 Query head 只能从同一份 K/V 表示读取信息，可能损失 head 多样性。

GQA¶

GQA 在 MHA 与 MQA 之间引入 Hkv 组 K/V，每组服务 Hq / Hkv 个 Query head：

group(i) = floor(i / (Hq / Hkv))
Ai = softmax(Qi Kgroup(i)^T / sqrt(d))
Oi = Ai Vgroup(i)

对应的开源边界仍是 Llama 的两行投影和 repeat_kv：⁸

self.k_proj = nn.Linear(hidden_size, num_key_value_heads * head_dim)
self.v_proj = nn.Linear(hidden_size, num_key_value_heads * head_dim)

# Hkv = Hq: MHA; 1 < Hkv < Hq: GQA; Hkv = 1: MQA
key_states = repeat_kv(key, num_attention_heads // num_key_value_heads)

GQA QKV 计算逻辑 — GQA：Query head 在组内共享 K/V。`Hkv` 是连续的工程旋钮，而不是与 MHA、MQA 完全分离的算子。

因此 GQA 的准确理解是：用一部分 head 多样性换取一部分 KV cache 和带宽收益。它仍然是对全部历史 token 的 dense attention。

MLA¶

MLA 不再以“减少 KV head 数”压缩 cache，而是把所有 head 的 K/V 联合投影到低维 latent：

cKV = WDKV h
kR  = RoPE(WKR h)
kC, vC = WUKV cKV
score = qC kC^T + qR kR^T

DeepSeek-V2 的兼容实现直接展示了联合降投影和位置分量拆分：⁹

compressed_kv = self.kv_a_proj_with_mqa(hidden_states)
compressed_kv, k_pe = torch.split(
    compressed_kv, [self.kv_lora_rank, self.qk_rope_head_dim], dim=-1
)
kv = self.kv_b_proj(self.kv_a_layernorm(compressed_kv))
k_nope, value_states = torch.split(
    kv, [self.qk_nope_head_dim, self.v_head_dim], dim=-1
)

真正体现 memory-optimal decode 的是 DeepSeek 原生推理代码：cache 只分配 kv_lora_rank 和 qk_rope_head_dim；decode 时把 WUKV 的 K 部分吸收到 Query，把 V 部分吸收到输出路径：¹⁰

self.kv_cache = torch.zeros(max_batch, max_seq, self.kv_lora_rank)
self.pe_cache = torch.zeros(max_batch, max_seq, self.qk_rope_head_dim)

kv, k_pe = torch.split(self.wkv_a(x), [self.kv_lora_rank, self.qk_rope_head_dim], -1)
self.kv_cache[:bsz, start_pos:end_pos] = kv
self.pe_cache[:bsz, start_pos:end_pos] = k_pe.squeeze(2)

q_nope = torch.einsum("bshd,hdc->bshc", q_nope, wkv_b[:, :self.qk_nope_head_dim])
scores = torch.einsum("bshc,btc->bsht", q_nope, self.kv_cache[:bsz, :end_pos])

MLA QKV 计算逻辑 — MLA：训练或 prefill 可语义上重建各 head 的 K/V；memory-optimal decode 通过矩阵吸收直接在 `cKV` 上计算，并缓存独立的 RoPE 分量 `kR`。

不要从兼容实现误判 cache

某些通用 Transformers 代码会先用 WUKV 展开完整 K/V，再交给标准 attention/cache 接口。这便于兼容，但会掩盖 MLA 的核心收益。判断实际 cache 必须看部署路径中保存的张量，而不只看数学等价的 forward。

MLA 压缩的是 每个 token 的历史表示，并没有选择更少的历史 token。没有 DSA 时，score 仍覆盖全部可见位置。

递归状态家族¶

GDN¶

GDN 仍产生 Q/K/V，但 K/V 不进入按 token 增长的 cache。它先经过短卷积与归一化，再把当前 token 写入固定状态 S：

S_bar_t = exp(g_t) S_(t-1)
S_t     = S_bar_t + beta_t k_t (v_t - S_bar_t^T k_t)^T
o_t     = q_t^T S_t

其中 g_t 在 GDN 参考实现中是 [B,T,H]，即每个 head 一个标量衰减；beta_t 控制 delta 写入强度。FLA 层代码展示 Q/K/V 的短卷积和 gate 输入：¹²

q = self.q_conv1d(x=self.q_proj(hidden_states), ...)[0]
k = self.k_conv1d(x=self.k_proj(hidden_states), ...)[0]
v = self.v_conv1d(x=self.v_proj(hidden_states), ...)[0]
beta = self.b_proj(hidden_states)

o, recurrent_state = chunk_gated_delta_rule(
    q=q, k=k, v=v, g=self.a_proj(hidden_states), beta=beta,
    initial_state=recurrent_state, use_qk_l2norm_in_kernel=True,
)

Naive recurrence 则把状态更新写得最清楚：¹³

b_q = q[:, :, i]
b_k = k[:, :, i]
b_v = v[:, :, i].clone()
h = h.clone() * g[:, :, i].exp()[..., None, None]
b_beta = beta[:, :, i]
b_v = b_v - (h.clone() * b_k[..., None]).sum(-2)
b_v = b_v * b_beta[..., None]
h = h.clone() + b_k.unsqueeze(-1) * b_v.unsqueeze(-2)
o[:, :, i] = torch.einsum("bhd,bhdm->bhm", b_q, h)

GDN QKV 与状态更新逻辑 — GDN：Q 读取固定状态，K/V 通过 delta rule 写入状态，head-wise 标量 gate 统一衰减该 head 的 `K×V` 记忆；cache 不随序列长度增长。

固定状态不是无损 KV 压缩。多个历史 token 会竞争同一矩阵容量，模型需要学习何时遗忘、何时覆盖。训练时可用 chunk/parallel 算法加速，但语义上仍是按时间递推。

KDA¶

KDA 延续 delta-rule，却把 g_t 从 [H] 扩展为 [Hv,K]。于是每个 value head 的每个 key channel 都有独立衰减：

S_bar_t = Diag(exp(g_t)) S_(t-1)
S_t     = S_bar_t + beta_t k_t (v_t - S_bar_t^T k_t)^T
o_t     = q_t^T S_t

Kimi Linear 模型实现先投影并短卷积 Q/K/V，再从两层低秩投影产生 per-dimension gate：¹⁴

q = self.q_conv1d(x=self.q_proj(hidden_states), ...)[0]
k = self.k_conv1d(x=self.k_proj(hidden_states), ...)[0]
v = self.v_conv1d(x=self.v_proj(hidden_states), ...)[0]
g = self.f_b_proj(self.f_a_proj(hidden_states))
g = fused_kda_gate(g, self.A_log, self.head_dim, g_bias=self.dt_bias)
beta = self.b_proj(hidden_states).float().sigmoid()

FLA naive KDA 明确记录 g: [B,T,HV,K]，并在 key channel 维衰减状态：¹⁵

# g: [B, T, HV, K], S: [B, HV, K, V]
for i in range(0, T):
    q_i, k_i, v_i = q[:, i], k[:, i], v[:, i]
    g_i, b_i = g[:, i], beta[:, i]
    S = S * g_i[..., None].exp()
    S = S + torch.einsum(
        "bhk,bhv->bhkv",
        b_i[..., None] * k_i,
        v_i - (k_i[..., None] * S).sum(-2),
    )
    o[:, i] = torch.einsum("bhk,bhkv->bhv", q_i, S)

KDA QKV 与状态更新逻辑 — KDA：相较 GDN 的关键变化不是 Q/K/V 投影，而是 `g` 从每 head 一个标量变成每 key channel 一个对角 gate，使不同记忆方向拥有不同时间尺度。

更细粒度 gate 提高了状态表达能力，也增加 gate 生成和状态更新的复杂度。Kimi Linear 因此采用 KDA 与 MLA 混合层，而不是宣称固定状态可以完全替代 softmax attention。

Token 稀疏家族¶

DSA¶

DSA 建立在 MLA 上。Lightning Indexer 为 Query 生成多 head 索引向量，为每个历史 token 生成共享 Indexer K 和按 head 权重，再选择 top-k：

s_tj = sum_h w_th <qI_th, kI_j>
I_t  = topk_j(s_tj, k)
O_t  = MLA(Q_t, K[I_t], V[I_t])

DeepSeek-V3.2-Exp 的开源 Indexer 使用 FP8 Q/K、独立权重和 topk：¹¹

q = self.wq_b(qr).view(bsz, seqlen, self.n_heads, self.head_dim)
k = self.k_norm(self.wk(x))
q_fp8, q_scale = act_quant(q, block_size, self.scale_fmt)
k_fp8, k_scale = act_quant(k, block_size, self.scale_fmt)
weights = self.weights_proj(x.float()) * self.n_heads ** -0.5
index_score = fp8_index(q_fp8, weights, self.k_cache[:, :end_pos], self.k_scale_cache[:, :end_pos])
topk_indices = index_score.topk(min(self.index_topk, end_pos), dim=-1)[1]

主 MLA 用这些 indices 构造稀疏 mask；decode 仍从压缩 cKV cache gather，而不是回到完整 K/V：¹¹

topk_indices = self.indexer(x, qr, start_pos, freqs_cis, mask)
index_mask = torch.full((bsz, 1, end_pos), float("-inf"), device=x.device)
index_mask = index_mask.scatter_(-1, topk_indices, 0)
scores += index_mask.unsqueeze(2)
scores = scores.softmax(dim=-1)
x = torch.einsum("bsht,btc->bshc", scores, self.kv_cache[:, :end_pos])

DSA Indexer 与 MLA 计算逻辑 — DSA：MLA 主路径保留压缩 cache；Lightning Indexer 额外缓存共享 K、扫描历史并返回 top-k，主 attention 只在选中位置做高维计算。

稀疏的边界

DSA 降低的是 主 MLA 的高维 score/value 计算。Indexer 本身仍需对历史位置打分，只是 head 维和精度更小。index_topk=2048 是 DeepSeek-V3.2-Exp 的具体配置，不是 DSA 定义中的固定常数。

混合架构¶

长上下文模型越来越少押注单一 Attention。线性或递归状态层负责大部分低成本历史传播，周期性 Full/MLA 层补充精确 token 检索，是更现实的质量—效率折中。

Kimi Linear 长上下文效率 — Kimi Linear 论文 Figure 7：图中 1M context 的可见标注约为 prefill 2.9×、decode TPOT 2.2×（相对 MLA）。论文摘要/正文另有“最高 6× decode”的表述，两者属于不同统计或边界，不能直接合并。

这种混合思想也适用于其他组合：GQA 降低 cache，DSA 降低主 attention 的 token 数，二者解决不同维度；MLA 与 DSA 更是明确的基座和索引关系。

选择框架¶

主要瓶颈	优先考察	原因	必验风险
Decode KV cache / 带宽	GQA、MQA、MLA	直接减少每 token 历史表示	质量回退、kernel 与 cache layout
极长上下文的固定内存	GDN、KDA	recurrent state 不随 `T` 增长	状态容量、训练 kernel、跨序列边界
极长上下文主 attention FLOPs	DSA	主 MLA 只读取 top-k	Indexer recall、top-k 通信、稀疏 kernel
质量优先、上下文适中	Full/MHA、GQA	精确 dense retrieval，生态成熟	cache 和带宽上限
质量与极长上下文同时要求	Hybrid	递归层传播、周期性 softmax 检索	层型比例、状态/cache 双系统

工程选型时至少测四件事：

Prefill 与 decode 分开：二者的算力、带宽和并行特性完全不同。
峰值 cache 与实际吞吐同时测：更小的理论 cache 可能被不合适的 layout、dequant 或 gather 抵消。
固定准确率条件下比较：MQA/GQA group 数、MLA rank、DSA top-k、GDN/KDA state 维度都属于质量—成本旋钮。
按实现边界比较：FlashAttention、FlashMLA、chunk recurrence 与稀疏 gather 的 kernel 成熟度往往比大 O 公式更决定真实速度。

常见误区¶

“MQA/GQA 是稀疏 attention”：错误。它们共享 K/V head，但仍读取所有历史 token。
“MLA 把 attention 变成线性复杂度”：错误。MLA 压缩每个 token 的 K/V 表示，没有压缩 token 数。
“GDN/KDA 只是更激进的 KV cache 压缩”：不准确。它们改变了历史记忆算法，用固定状态递推替代逐 token softmax 检索。
“DSA 只算 top-k，所以模块没有全历史成本”：不完整。主 MLA 是 top-k，Indexer 仍扫描历史。
“后出现的结构必然取代前者”：错误。真实模型广泛使用混合层，不同方法解决的是 cache、状态容量、token 连通性或 kernel 效率中的不同问题。

总结¶

Attention 的发展路径可以压缩成一句话：先共享 K/V，再联合压缩 K/V；另一条路线把历史写入固定状态；最新的稀疏路线先检索，再让昂贵的主注意力读取少数 token。

理解这些结构时，不要只背缩写。顺着代码追四个对象就足够：

Q/K/V 如何投影、按多少 head 组织；
cache 保存完整 K/V、latent、Indexer K，还是固定状态；
score 是对全部历史、top-k，还是根本不存在显式 T×T 矩阵；
被省掉的成本是否转移到了低秩重建、状态更新、索引器或稀疏 gather。

本文七张计算图均依据版本固定源码自绘，SVG 源文件与 1920×1080 PNG 同时保留，并通过结构、箭头、碰撞、语义几何与版式校验。

参考文献¶

Vaswani et al., Attention Is All You Need, first submitted 2017-06-12. ↩
Shazeer, Fast Transformer Decoding: One Write-Head is All You Need, first submitted 2019-11-06. ↩
Ainslie et al., GQA: Training Generalized Multi-Query Transformer Models from Multi-Head Checkpoints, first submitted 2023-05-22. ↩
DeepSeek-AI, DeepSeek-V2: A Strong, Economical, and Efficient Mixture-of-Experts Language Model, first submitted 2024-05-07. ↩
Yang et al., Gated Delta Networks: Improving Mamba2 with Delta Rule, first submitted 2024-12-09. ↩
DeepSeek-AI, DeepSeek-V3.2-Exp release, 2025-09-29; model and paper repository. ↩
Zhang et al., Kimi Linear: An Expressive, Efficient Attention Architecture, first submitted 2025-10-30. ↩
Hugging Face Transformers, modeling_llama.py, commit 29985e67. ↩↩↩
DeepSeek-AI, modeling_deepseek.py, revision 604d5664. ↩
DeepSeek-AI, inference/model.py MLA, commit 87e509a2. ↩
DeepSeek-AI, inference/model.py, commit 87e509a2. ↩↩
FLA, fla/layers/gated_deltanet.py, commit c70f11c5. ↩
FLA, fla/ops/gated_delta_rule/naive.py, commit c70f11c5. ↩
Moonshot AI, modeling_kimi.py, revision e1df551a. ↩
FLA, fla/ops/kda/naive.py, commit c70f11c5. ↩