一、UniMixer [2026]

《UniMixer: A Unified Architecture for Scaling Laws in Recommendation Systems》

  1. 近年来,推荐模型的 scaling laws 受到越来越多的关注,它决定了推荐系统性能与参数、计算量(FLOPs)之间的关系。当前,实现推荐模型 scaling 的主流架构主要有三种,分别是 attention-based 方法、TokenMixer-based 方法以及 factorization-machine-based 方法,这些方法在设计理念与架构结构上存在本质差异。本文提出一种面向推荐系统的统一的 scaling 架构—— UniMixer,旨在提升 scaling 效率,并构建一个统一了主流 scaling blocks 的理论框架。通过将 rule-based TokenMixer 转化为等价的参数化结构,我们构建了一个通用的参数化的 feature mixing 模块,使 token mixing 模式可在模型训练过程中被优化和被学习。同时,通用的参数化的 token mixing 移除了 TokenMixer 中要求 heads 数量与 tokens 数量相等的约束。此外,我们为推荐系统建立了统一的 scaling module 设计框架,打通了 attention-based 方法、TokenMixer-based 方法、以及 factorization-machine-based 方法之间的联系。为进一步提升 scaling ROI,我们设计了轻量级 UniMixing 模块—— UniMixing-Lite,在大幅压缩模型参数与计算成本的同时显著提升模型性能。scaling curves 如下图所示。本文通过大量离线与在线实验验证了 UniMixer 优异的 scaling 能力。

  2. 大语言模型(Large language models: LLMs)展现出一个令人瞩目的现象:随着模型规模、数据量与计算资源的增加,性能稳步提升,这一现象被称为 scaling laws。LLMs 中显著的性能 scaling 效果启发了推荐系统领域,研究者开始探索适配推荐任务的scaling 框架。近年来,研究人员尝试设计 scaling 模块并多层堆叠,以提升 ranking 模型复杂度,从而实现模型性能与模型规模、计算成本(如参数、FLOPs )之间的 scaling laws。

    推荐系统基于大量的 multi-field 的 user and item features,预测用户行为,为用户展示最相关的内容,提升用户对推荐结果的 positive engagements。这些 multi-field features 通常包含 categorical features 与 dense features,具备更动态的 embedding representations,可从多视角捕获信息。与自然语言处理(natural language processing: NLP)领域不同(在 NLP 中,所有 tokens 共享一个统一的 embedding space),推荐任务的 feature space 天然具有异构性(heterogeneous)。因此,learning heterogeneous features interactions 是推荐领域与 NLP 领域的根本区别。

    得益于 Transformer 在 LLMs 中的巨大成功,一个自然的思路是修改 Transformer 模块以适配推荐任务,因为直接将Transformer 模块作为推荐系统 scaling laws 的 fundamental block 通常不可行。为解决 heterogeneous feature interaction problem,当前推荐模型的主流 scaling 架构可分为三类:attention-based 方法、TokenMixer-based 方法以及 factorization-machine-based 方法。

    • attention-based 方法为每个 input token 构建 token-specific query, key, and value projections。如 HiFormer (《Hiformer: Heterogeneous feature interactions learning with transformers for recommender systems》)、FAT(《From scaling to structured expressivity: Rethinking transformers for ctr prediction》)、HHFT(《Hhft: Hierarchical heterogeneous feature transformer for recommendation systems》) 等等。

    • 与 attention-based 方法不同,TokenMixer-based 方法采用 rule-based token mixing 操作实现 heterogeneous feature interactions,避免计算两个 heterogeneous semantic spaces 之间的内积相似度。如 RankMixer(《Rankmixer: Scaling up ranking models in industrial recommenders》)、TokenMixer-Large (《Tokenmixer-large: Scaling up large ranking models in industrial recommenders》)等等。

    • 而 factorization-machine-based方法则通过引入因子分解机(Factorization Machine: FM)模块,建模每层 input embeddings 之间的 feature interactions。如 Wukong(《Wukong: Towards a scaling law for large-scale recommendation》)、Kunlun (《Kunlun: Establishing scaling laws for massive-scale recommendation systems through unified architecture design》)等等。

    这些框架基于完全不同的 scaling blocks 来构建,却均具备模型性能 scaling up 的能力。这引发了一个根本性问题:我们能否为推荐系统构建一个统一的 scaling module,融合现有主流 scaling components 的优势?

    为打通这些 scaling modules 间的联系,我们首先为 rule-based TokenMixer 操作建立 parameterized formulation。通过进一步优化计算流程,我们推导出计算成本更低的 UniMixing 模块。基于该设计与实验结果,我们提出一个统一的理论框架,整合推荐系统主流的 scaling modules。此外,我们设计了轻量级的 UniMixer 模块,结合现有主流 scaling blocks 的优势,实现最优的参数效率与计算效率。我们希望该统一架构能助力推荐系统领域迎来属于自己的 "attention moment"。

    本文主要贡献总结如下:

    • 通过对 rule-based TokenMixer 进行等价的参数化,揭示其 feature interaction 模式。

    • 提出统一的 scaling 框架 UniMixer,打通 attention-based 方法、TokenMixer-based 方法、FM-based 方法之间的差异与联系。通过优化计算流程,UniMixer 显著降低训练与推理阶段的计算复杂度与 GPU 内存消耗。

    • 为进一步减少模型参数与计算成本,设计轻量级的 UniMixing 模块—— UniMixing-Lite,可同时利用 attention-based 架构与 TokenMixer-based 架构的优势,实现更优的 scaling 效率。

    • 开展大量离线与在线实验,证明 UniMixer 具备优异的 scaling 能力。

1.1 相关工作

  1. 当前,面向大规模推荐系统建立 scaling laws 的建模范式主要有三种:attention-based 方法、TokenMixer-based 方法、以及 FM-based方法。

  2. Attention-Based Framework:近年来,推荐系统领域将 Transformer 适配用于 CTR prediction。该范式的核心挑战是弥合token sequence 的异构性与语言建模假设的 sequential compositionality 之间的差距。

    • 为此,《Hiformer: Heterogeneous feature interactions learning with transformers for recommender systems》提出 heterogeneous attention layer 解决 heterogeneous feature interaction 问题,并设计 HiFormer,将 heterogeneous tokens 展平为 a single vector representation,显式建模高阶交互。

    • 此外,Field-Aware Transformers: FAT 通过 factorized contextual alignment 与 cross-field modulation,将 field-aware interaction 的先验知识注入 attention 机制,进一步建立 CTR prediction 的经验 scaling law (《From scaling to structured expressivity: Rethinking transformers for ctr prediction》)。

    • HHFT 通过交替使用 heterogeneous Transformer blocks(保留 domain-specific semantics )与 HiFormer blocks (学习高阶交互),验证了这些 scaling 特性(《Hhft: Hierarchical heterogeneous feature transformer for recommendation systems》)。

    • 此外,在 dynamic user behavior modeling 中,HSTUV1/V2 、MARM、OneTrans、Climber、Hyformer、LLaTTE 等方法利用 attention 机制捕获长程时序依赖。

    这些方法凸显了统一 feature interaction 与 sequential behavior modeling 以实现更鲁棒 scaling laws 的潜力。

  3. TokenMixer-Based Framework:尽管 attention 机制具备强大的 feature interaction表达能力,但 attention score computation 的二次复杂度会带来高昂的计算成本。受计算机视觉领域 MLP-Mixer(《Mlp-mixer: An all-mlp architecture for vision》)成功的启发,工业级推荐系统出现了向 token-mixing 架构的范式转变,诞生了 RankMixer(《Rankmixer: Scaling up ranking models in industrial recommenders》)、Lemur(《Lemur: Large scale end-to-end multimodal recommendation》)、TokenMixer-Large(《Tokenmixer-large: Scaling up large ranking models in industrial recommenders》)等先进模型。

    • 例如,RankMixer 用静态的、无参数的 token-mixing 操作替代 dynamic attention,在保持相当的 FLOPs 的同时,实现了有竞争力的 CTR 预测性能。

    • 在此基础上,TokenMixer-Large 通过引入辅助的 residual connections 与定制的 loss functions,将该架构扩展至 13 Billion 参数规模,在 various model dimensions 上展现出良好的 scaling laws。

    尽管如此,当前 token-mixing 算子的设计仍高度依赖经验规则,缺乏与传统 FM-based 方法或 attention-based 方法的严谨理论桥梁。

  4. FM-Based Framework:FM-based 的开创性方法采用低阶 pairwise modeling 来实现推荐系统的 feature interactions(《Factorization machines》),后续经过 Field-aware FMs 来泛化(《Field-aware factorization machines for ctr prediction》),可捕获 field-specific and context-sensitive interactions。这类模型具备高可解释性与高效性,但固有地受限于低阶交互能力。

    为解决该局限,DeepFM (《Deepfm: a factorization-machine based neural network for ctr prediction》)、AutoInt(《Autoint: Automatic feature interaction learning via self-attentive neural networks》)、DCN (《Deep & cross network for ad click predictions》、《Dcn v2: Improved deep & cross network and practical lessons for web-scale ctr prediction》)等多种神经网络扩展方法,融合 MLP 或 transformer attention 以捕获高阶交互。

    近期,Wukong (《Wukong: Towards a scaling law for large-scale recommendation》)通过堆叠 FM-style interaction blocks with linear compression,展现出良好的 scaling 特性。

    然而,FM-based 方法对显式低阶交互的依赖,仍限制了模型在参数量与 FLOPs 扩大时的性能提升,这与 LLMs 中观察到的 predictive scaling laws 形成对比。

1.2 预备知识

  1. 考虑一类判别式推荐任务,如 rating 预测、点击率(click-through rate: CTR)预测、点击后转化率(post-click conversion rate: CVR)预测等,这类任务通常被建模为监督学习问题。数据集定义为 D={(x→1,y1),⋯,(x→i,yi),⋯,(x→N,yN)},其中:

    • x→i=[xi(1),xi(2),⋯,xi(F)]∈RF 包含 F 个 feature fields。通常,输入特征 x→={x→C,x→D} 分为 categorical features x→C 与 dense features x→D,用 |C|、|D| 分别表示 categorical features 数量与 dense features 数量。

    • yi 为第 i 个样本的标签,yi∈0,1对应二分类问题,yi∈R 对应回归问题。

    • N 为样本数量。

  2. 对于 CTR prediction 与 CVR prediction 任务,核心目标是建立模型从而预测 click 或 conversion 的概率 Pr(yi=1∣x→i)。推荐系统中学到的 embedding representations 更具动态性。与语言模型 input tokens 不同,推荐系统中的 feature spaces 天然具有异构性。因此,直接将大语言模型所用的 Transformer 架构迁移至推荐建模并不合适。

    迄今为止,推荐领域的 scaling laws 主要通过三类 foundational blocks 及其变体实现。

  3. Heterogeneous Attention Layer:Heterogeneous-attention-based 架构通常采用 field-specific query, key, and value projections 来实现 heterogeneous feature interaction。给定 input hidden states X=[x→1;⋯;x→T]∈RT×D,heterogeneous attention layer 的公式如下:

    Qh=[WQ1hx→1⋮WQThx→T]∈RT×d,Kh=[WK1hx→1⋮WKThx→T]∈RT×d,Vh=[WV1hx→1⋮WVThx→T]∈RT×d

    其中:WQih,WKih,WVih∈RD×d分别为 query, key, and value projections 的 token-specific weights。

    这里 T 为 heterogeneous tokens 数量,h 为 head 编号。

    multi-head heterogeneous attention layer 的输出计算如下:

    Oh=softmax(QhKh⊤d)Vh∈RT×d

    将 multi-head heterogeneous attention 的输出进行拼接后,通过线性投影使 output 维度与 input X 对齐。

  4. TokenMixer:TokenMixer-based 框架采用无参数的、基于规则的 mixing 操作实现 feature interaction。给定 input hidden states X=[x→1;⋯;x→T]∈RT×D,TokenMixer 首先将每个 input token x→t 均匀切分为 H 个 heads:

    [x→t(1)∣x→t(2)∣⋯∣x→t(H) ]=SplitHead(x→t)

    其中 x→t(h)∈RD/H 为第 h 个 head 。

    然后,第 h 个 token s→h 为:

    s→h=concat(x→1(h),x→2(h),⋯,x→T(h))∈R(TD/H)

    TokenMixer 的输出可以公式化为:

    S=[s→1⋮s→H]∈RH×(TD/H)

    其中:其中要求 H 与 T 相等,使得输入 X 与输出 S 的维度一致。

  5. Wukong:Wukong-based 的模型将一个因子分解机块(Factorization Machine Block: FMB)的输出与一个线性投影层的输出进行拼接,以提升 interaction component:

    FMB(X)=reshape(MLP(LN(flatten(FM(X))))),FM(X)=XX⊤YLCB(X)=WX

    其中:

    • W∈Rn×T,Y∈RT×r 为可学习的投影矩阵,Y 用于降低存储 interaction matrix XX⊤ 的内存需求。

    • LN(⋅) 为 Layer Normalization。

  6. 本文聚焦于为推荐系统建立一个统一的结构基础,融合当前 scaling blocks 的优势,进一步提升 scaling ROI。

1.3 UniMixer

  1. 本文构建了用于推荐系统 scaling 的统一模块—— UniMixer block,在统一理论框架下整合了 attention-based 模块、TokenMixer-based 模块、Wukong-based 模块等推荐系统主流 scaling 模块。如 Figure 2 所示,整体架构包含 feature tokenization 、M 个带 Siamese norm and Sparse-Pertoken MoE 的 UniMixer blocks。通过对 rule-based TokenMixer 进行参数化,我们打通了 attention-based 方法、TokenMixer-based 方法、Wokong-based 方法之间的联系,使所提出的 UniMixer 同时具备这些方法的优势。此外,我们开发了一个轻量级 UniMixing 模块,进一步压缩模型参数与计算成本,同时显著提升模型性能。

1.3.1 Feature Tokenization

  1. 根据 input feature fields 的 semantic categories,首先将 input features x→ 划分为 N 个不相交的 feature domains。

    x→=[xU(1),⋯,xU(nU)⏟User Profile,xI(1),⋯,xI(nI)⏟Item Features,xB(1),⋯,xB(nB)⏟Behavior Sequence,xQ(1),⋯,xQ(nQ)⏟Query Features,⋯]

    每个 feature domain 通过 embedding layers 转化为不同维度的 embedding vectors:

    e→n=Embedding(x→n)∈Rddomain

    其中:x→n 为 feature domain 内某个 feature 的 one-hot embedding,ddomain 为该 feature domain 对应的 embedding 维度。

    将所有 obtained feature domain embeddings 拼接为一个 embedding 向量 e→=[e→1,e→2,⋯,e→N]。与 RankMixer 类似,我们将 embedding 向量 e→ 均匀切分为合适数量的 blocks,再通过 token-specific linear layer 将每个 block 投影为 token embedding:

    x→i=Wiproje→(d×i):(d×i+d)+b→iproj∈RD

    其中:Wiproj∈RD×d,b→iproj∈RD 为第 i 个 block 的待学习的参数。d 为每个 block 的维度。

    按列堆叠 x→i 即可得到 input hidden states X∈RT×D。

    • 如果不按照 feature domains 来组织 e→,而是随机组织,那么结果会怎样?可以做实验来验证。

    • “将 embedding 向量 e→ 均匀切分为合适数量的 blocks“,这一步其实就是 sparsify 操作,参考论文 SSRNet(《Beyond Dense Connectivity: Explicit Sparsity for Scalable Recommendation》)。

    • 注意:这里要求 T≪D ,并且 T 能整除 D 。这也是为什么需要拆分为 blocks,而不是采用原始的 feature-level embedding 的原因。

1.3.2 UniMixer Block

  1. Heterogeneous Feature Interactions:如 ”预备知识“ 章节所述,heterogeneous attention 通过采用 token-specific query, key, and value weights,解决两个 heterogeneous semantic spaces 的 feature interaction 问题。然而,通过内积相似度得到的 attention pattern 通常带有对角占优先验(diagonally dominant prior)。在训练初期,权重矩阵 WQh,WKh 被随机初始化,attention weights (即 QhKh⊤)的大小很大程度上由 input token values X 主导,易导致 attention weights 集中在少数 tokens 上,如 Figure 3(a) 所示。

    由 Figure 3(a) 可见,heterogeneous attention 的 attention weights 尖锐且稀疏,给梯度反向传播带来风险,导致 query and key weights 训练困难,甚至可能停滞(如 Figure 3(a) 中 heterogeneous attention 的 attention weights 的第 10 行与第 15 行)。同时,在大规模 heterogeneous feature inputs 下,这类 attention 模式可能导致 feature interactions 趋同,即 attention scores 极小且缺乏区分度,可能产生噪声信号,掩盖关键 feature interaction 模式。

    另一方面,无参数的、基于规则的 TokenMixer 操作缺乏可学习性与场景适应性,可能导致 heterogeneous feature interactions 不足或错误。此外,要求 T=H 进一步限制了 heterogeneous feature interaction 模式的选择。通过深入分析 TokenMixer 操作,我们得到一些有趣的发现,使 TokenMixer 操作参数化成为可能。如 Figure 3(b) 所示,我们发现:TokenMixer 操作可视为置换矩阵(permutation matrix) Wperm与 flattened input embedding flatten(X)∈R(TD)的乘积,公式如下:

    TokenMixer(X)=reshape(Wpermflatten(X))

    其中:Wperm∈R(TD)×(TD) 为一个大型置换矩阵,附录 A 给出具体数值示例。

    一个自然的思路是通过参数化置换矩阵 Wperm,使 rule-based TokenMixer 具备可学习性与可优化性。但 O(T2D2) 的计算复杂度与 O(T2D2) 的参数数量难以接受。通过观察,我们总结出 TokenMixer 置换矩阵 Wperm 的关键特性。

    • 可压缩性:置换矩阵 Wperm 可等价分解为两个更小矩阵的克罗内克积(Kronecker product),即 Wperm=G⊗I。其中 I∈RDT×DT 为 DT 阶单位矩阵,G∈RT2×T2 为 T2 阶方阵,符号 ⊗ 代表克罗内克积运算。

      克罗内克积 A⊗B :把矩阵 A 的每个元素,整体乘以整个矩阵 B,按位置拼成新大矩阵。例如:

      A=[a1,1a1,2a2,1a2,2],B=[b1,1b1,2b2,1b2,2],A⊗B=[a1,1Ba1,2Ba2,1Ba2,2B]

      .

    • 双随机性:置换矩阵 Wperm 的任意行、列元素求和结果均为 1,满足行和、列和归一特性。

    • 稀疏性:该置换矩阵的每一行、每一列仅有唯一一个非零元素。

    • 对称性:若维度参数 T 与 H 相等,则置换矩阵 Wperm 为对称矩阵,满足 Wperm=(Wperm)⊤ ;若二者不等,则置换矩阵 Wperm 为非对称矩阵。

    这里有一个前提:要求 D≥T 并且 D 能被 T 整除。T 为 input hidden states 的 tokens 数量,D 为 input hidden states 的维度。

    根据 TokenMixer 置换矩阵的特性,通过参数化矩阵 G 与 I,token mixing 的参数数量大幅降低,即 O(T4+(DT)2),其中 T 通常远小于 D。此外,TokenMixer 参数化仍面临三大挑战:

    • 直接用参数化的 G 与 I 来重构 Wperm,在模型训练与推理过程中仍会产生 size 为 [TD,TD] 的中间变量,对 GPU 内存要求极高。

      因为需要生成 Wperm=G⊗I 。

    • 如何保证学到的参数满足双随机性、稀疏性与对称性。

    • 如何设计融合了现有 scaling 模块的优势的 unified recommendation scaling module,为推荐系统建立更优的 scaling 效率。

  2. Unified Token Mixing Module:受 Figure 3 启发,unified token mixing module 不再使用 T 与 D,而是定义置换矩阵中的 block num 与 block size。 block size 记为 B,block num 为 (L//B)2,其中 L 为 input embedding 维度(即,e→=[e→1,e→2,⋯,e→N] 的维度),可被 block size B 所整除。

    换成前面的符号,即:L=T×D。

    将 G 的 parameterized weights 记为 WG∈R(L//B)×(L//B)。考虑置换矩阵的稀疏性并实现充分的 heterogeneous feature interactions,我们为 WG 的每一行分配 distinct parameterized weight WBi∈RB×B,一共 L//B 行。该操作使每个 block 具备不同的 feature interaction 模式,通过学习参数矩阵 WG与WBi,可得到交互模式更丰富的置换矩阵 Wperm ,公式如下:

    UniMixing(X)=reshape((WG⊗{WBi}i=1L//B)flatten(X),1,L)

    其中:⊗为广义克罗内克积(generalized Kronecker product)。

    WG⊗{WBi}i=1L//B 和经典的克罗内克积不同,它的物理含义为:

    WG⊗{WBi}i=1L//B=[WG,1,1WB1WG,1,2WB2⋯WG,1,L//BWBL//BWG,2,1WB1WG,2,2WB2⋯WG,2,L//BWBL//B⋮⋮⋱⋮WG,L//B,1WB1WG,L//B,2WB2⋯WG,L//B,L//BWBL//B]

    即:每一列采用不同的 WBi 。

    也可以对 WG 的每个元素采用不同的 WBi,j 。此时会引起参数爆炸,以及过拟合。

    接下来优化 UniMixing(X) 的计算流程,显著降低计算成本与 GPU 内存需求。

    • 首先将 embedding vector flatten(X) 均匀切分为 L//B 个向量,每个向量的 size 为 B,表示如下:

      [x→1∣x→2∣⋯∣x→LB]=Split(flatten(X),LB)∈RB×(L//B)
    • 然后将 block weights WBi∈RB×B与对应 block-wise vectors x→(i)∈RB 分别相乘,得到 local feature interaction vector:

      H=[x→1WB1∣x→2WB2∣⋯∣x→L//BWBL//B]∈RB×(L//B)reshape(H,L//B,B)=[x→1WB1x→2WB2⋮x→L//B WBL//B]∈R(L//B)×B
    • 最后,UniMixing 模块的输出为:

      UniMixing(X)=reshape(WGreshape(H,L//B,B),1,L)

      reshape(H,L//B,B)∈R(L//B)×B ,而 WG∈R(L//B)×(L//B) ,因此二者可以执行矩阵乘法。

    与直接使用 reconstructed matrix Wperm 相比,该操作将计算成本从 O(L2) 降至 O(L2/B+LB),并避免计算过程中产生大型中间变量。这个计算流程优化的证明见附录 B。根据优化后的公式,WBi 控制 block 内的交互模式,WG 控制 block 之间的交互模式。对于维度为 L 的 embedding inputs,不再要求 T=H。与 TokenMixer 操作相比,UniMixing 模块具备更多样的 local and global feature mixing patterns and interaction scales,同时保留优势:它是可学习的、可优化的。

    为保证学到的置换矩阵满足双随机性,采用 Sinkhorn-Knopp 迭代,通过指数算子(exponent operator)使 WG与 WBi 的所有元素为正,再交替缩放 rows and columns 使其和为 1,进行迭代归一化。此外,引入温度系数控制参数矩阵的稀疏性。最后,用(WG+WG⊤)/2 与 (WBi+WBi⊤)/2 实现参数矩阵的对称约束。最终约束权重如下:

    W~G=WG+WG⊤2,W~Bi=WBi+WBi⊤2W―G=Sinkhorn-Knopp(W~Gτ),W―Bi=Sinkhorn-Knopp(W~Biτ)

    当 τ 较大(如 1.0)时:除法后元素差异被缩小,指数运算后分布比较均匀,最终的双随机矩阵元素值差异不大(接近均匀分布)。当 τ 较小(如 0.05)时:除法放大了元素之间的原始差异,指数运算后大的元素更大,小的元素更小,最终的双随机矩阵变得尖锐:少数元素接近 1,其余接近 0。在极限情况下(τ→0),矩阵趋近于一个硬置换矩阵(每行每列只有一个 1,其余为 0)。

    实验章节表明:τ 需要采用一个较小的值。

    其中 τ 为温度系数。

    Sinkhorn‑Knopp 迭代(也称 Sinkhorn 缩放算法)是一种将任意正矩阵转化为双随机矩阵(doubly stochastic matrix)的经典数值方法。所谓双随机矩阵,是指一个方阵满足:所有元素非负(通常为正)、每行之和为 1、每列之和也为 1。

    算法基本步骤:给定一个初始的正矩阵 A∈Rn×n,ai,j>0,Sinkhorn‑Knopp 迭代通过交替缩放行和列,使其逼近一个双随机矩阵:

    • 重复迭代直到收敛(或固定次数):

      • 行归一化:将每一行除以其行和,使每行和为 1。

      • 列归一化:将每一列除以其列和,使每列和为 1。

    经过足够多的迭代后,矩阵 A 收敛到一个唯一的双随机矩阵(当 A 为正且连通时)。实际实现时,通常使用指数算子先对原始矩阵元素取指数(exp),以保证元素为正,然后再应用上述缩放迭代。

    随后用残差连接与归一化模块处理 UniMixing block 的输出:

    O=RMSNorm(X+UniMixing(X))

    .

  3. A Unified Perspective of Heterogeneous Feature Interaction:观察 Vh 的公式与 reshape(H,L//B,B) 的公式,我们发现若将 blocks 数量 L//B 设为 T,且 WVih与 WBi 的维度相同,则 reshape(H,L//B,B)=Vh。这意味着在 WVi=WBi 的条件下,UniMixer 的 local interaction projection 等价于 value projection of the heterogeneous attention layer。另一方面,WG 的维度与作用和 attention weights 相同;此外, WG 需要满足双随机性、稀疏性与对称性。

    Wukong 的 feature interaction 基于 FM 组件。FMB(X) 的表达式可改写为:

    FMB(X)=reshape(MLP(LN(flatten((XI)(XI)⊤Y))))

    其中:I 为合适维度的单位矩阵。现在我们聚焦核心的 feature interaction 模块(XI)(XI)⊤Y。在 attention 模块中,当WQ=I、WK=I,且 value 矩阵不依赖 hidden state input X(即 Vh=WV=Y)时,attention 机制退化为 FM 模块。因此,attention-based 机构、TokenMixer-based 架构与 Wukong-based 架构可统一于单一理论框架:

    UniMixing(X)=reshape(G(X,WG)⏟Global Mixing Pattern[x→1WB1⋮x→L//BWBL//B]⏟Local Mixing Pattern,1,L)

    其中:G(X,WG) 为 heterogeneous feature interaction projection,衡量 token-to-token/block-to-block 的 interaction 强度。

    为便于分析各类方法的差异与联系,我们考虑 single-head attention setting。在统一理论框架下(即,UniMixing(X)),各类方法的差异总结于 Table 1。对于 self-attention、heterogeneous attention 与 FM,global mixing pattern G(X,WG) 通过计算两个 tokens 的内积相似度得到;而 TokenMixer 的 global mixing pattern 与 input token embedding 无关。

  4. UniMixing-Lite:如 Figure 3 所示,block 粒度越细(即,B 越小),local interaction parameter matrices WBi 的数量越多(即,L//B 越大),global interaction parameter matrix WG 越大,导致了冗余的 local interaction patterns。同时,更大的 global interaction matrix 在 reducing the number of parameters 上的效率较低。因此,基于 UniMixing block,我们设计了一个轻量级的 UniMixing 模块—— UniMixing-Lite,从而进一步减少 module parameters 与计算成本,提升模型的 scaling 效率。

    为解决 local interaction pattern 的冗余性问题,我们引入一个 basis-composed module,动态地生成 block-specific local mixing weight。定义 WBi 的 basis matrices 的集合为 {Zℓ}ℓ=1b,这些 basis matrices 上的 block-specific weight vectors 为 {ω→i}i=1L//B,其中 b 为 basis local mixing weight 的数量,ω→i=[ω1i,⋯,ωbi]。此外,我们对 global interaction parameter WG 采用低秩近似,从而进一步提升效率。则 UniMixing-Lite 模块可表示为:

    UniMixing-Lite(X)=reshape(Wrreshape([x→1WB∗1∣⋯∣x→LBWB∗LB],LB,B),1,L)O=RMSNorm(X+UniMixing-Lite(X))

    其中:

    • Wr=Sinkhorn-Knopp(AGBG),AG∈R(L//B)×r,BG∈Rr×(L//B) ,r 为 WG 低秩近似(low-rank approximation )的秩。

    • WB∗=Sinkhorn-Knopp(∑ℓ=1bωℓiZℓ)。

    UniMixing-Lite 模块同时保留了 TokenMixer 的低参数的 global interaction pattern 、以及 attention 的针对heterogeneous features 的 local interaction 能力,可同时利用 attention-based 方法与 token-mixer-based 方法的优势。

    同时对 WG 和 WBi 进行简化。

  5. Pertoken SwiGLU:在 UniMixing block 之后,与 TokenMixer-Large 类似,我们引入 pertoken SwiGLU 来建模不同 tokens 之间的 feature heterogeneity。对于每个 input token x→i,SwiGLU 公式如下:

    pSwiGLU(o→i)=Wdowni((Wupio→i+b→upi)⊙Swish(Wgateio→i+b→gatei))+b→downi

    其中:

    • Wupi,Wgatei∈RB×(nB),Wdowni∈R(nB)×B,b→upi,b→gatei∈R(nB),b→downi∈RB ,n 为一个超参数。

    • o→i 为第 i 个 token 的 UniMixing output。

1.3.3 SiameseNorm

  1. 当前 RankMixer 架构缺乏针对 deep architectures 的专门设计,主要体现在 model depth 的 scaling 效果有限。尽管TokenMixer-Large 尝试通过在 block 内加入 interval residuals 与 auxiliary loss 来解决该问题,但未触及根本。为实现model depth 增加时的训练稳定性与性能提升,我们将孪生归一化( SiameseNorm )引入 UniMixer 架构,如 Figure 2 所示。如相关工作所述(《Siamesenorm: Breaking the barrier to reconciling pre/post-norm》),SiameseNorm 通过在每层引入两个耦合流(coupled streams),解决预归一化(Pre-Norm)与后归一化(Post-Norm)的矛盾。本节将这两个耦合流记为 X―i 与 Y―i,由 input embeddings 初始化 X―0=Y―0=X。对于第 ℓ 个 block,SiameseNorm 执行如下更新:

    Y~ℓ=RMSNorm(Y―ℓ),Oℓ=UniMixer(X―ℓ+Y~ℓ)X―ℓ+1=RMSNorm(X―ℓ+Oℓ),Y―ℓ+1=Y―ℓ+Oℓ

    Y―i 执行的是 pre-norm,X―i 执行的是 post-norm。

    对于第 M 个 UniMixer block,我们融合 X―ℓ 与 Y―ℓ 从而生成 final representation,公式如下:

    Xoutput=X―M+RMSNorm(Y―M)

    根据离线实验表面,PostNorm -> SiameseNorm 能带来 0.027% 的 AUC 提升。因此,它并不是核心设计。

1.3.4 UniMixer 训练策略

  1. 为使parameter matrices WG 与 WBi 具备稀疏性,我们引入温度系数来控制其稀疏程度。但温度越小,权重越稀疏,同时会导致梯度稀疏、微弱甚至不稳定,使训练困难,optimization 陷入局部最优。另一方面,我们的实验表明 weight parameters 的稀疏性对模型性能有显著正向影响,如 Table 3 所示。因此,该稀疏性不可或缺。

    常用方法是在训练过程中采用线性温度退火(linear temperature annealing):从较高初始温度(如 τ=1.0)开始,随 training iterations 次数增加,线性退火至 τ=0.05,公式如下:

    τj=max{τstart−jJ×(τstart−τend),τend}

    其中:

    • τj 为第 j 次迭代的温度系数,τstart、τend 分别为初始温度与最终温度。

    • J 为温度退火的迭代范围。

    数据量不足时,线性退火可能导致高温阶段探索不充分,或低温阶段优化效果不佳。为解决该问题,可先用较高温度系数(如τ=1.0)冷启动训练模型;模型训练充分后,降低温度系数(如 τ=0.05),以高温模型权重为 initialization,重新训练低温模型。

    根据实验部分的描述,训练策略对 UniMixer 模型性能的影响最大。众所周知,dnn 模型的训练策略、模型架构都对最终模型性能产生重大影响。那么,UniMixer 的优秀性能是来自于它的训练策略,还是来自于它的模型架构?

1.4 实验

  1. 本节开展大量实验,对比所提出的 UniMixer 架构与 SOTA 方法的性能,并回答以下问题:

    • Q1:UniMixer 架构的 scaling 效率是否优于 SOTA 架构?

    • Q2:所提出的方法在 different settings of global and local mixing pattern 下性能如何变化?

    • Q3:轻量级模块 UniMixing-Lite 是否进一步提升 scaling 效率?

    • Q4:部署至真实在线系统后,UniMixer/UniMixing-Lite 是否在 A/B 测试中提升业务指标?

  2. 数据集与评估指标:我们采用 Kuaishou 的广告投放场景的真实训练数据集日志,建模用户留存(user retention),开展离线与在线评估。数据集包含一年收集的超 0.7 billion 的用户样本,涵盖数值特征、ID 特征、交叉特征、序列特征等数百个 heterogeneous features。二元标签(User Retention = 1/0 )表示 users’ first activation 的次日是否返回 Kuaishou application。推荐模型的 scaling evaluation 的指标采用行业常用的 AUC 、UAUC(User-Level AUC)以评估模型性能,用dense parameter 数量、FLOPs、MFU 来评估模型效率。

  3. 基线与实验细节:将本文的 2-blocks/4-blocks UniMixer/UniMixing-Lite 架构与以下代表性 SOTA 框架对比,按建模范式分类:

    • Attention-Based 架构:Heterogeneous Attention(《Hiformer: Heterogeneous feature interactions learning with transformers for recommender systems》)、HiFormer(《Hiformer: Heterogeneous feature interactions learning with transformers for recommender systems》)、FAT(《From scaling to structured expressivity: Rethinking transformers for ctr prediction》),采用 field-specific query, key, and value projections 实现heterogeneous feature interaction。

    • TokenMixer-Based 框架:RankMixer(《Rankmixer: Scaling up ranking models in industrial recommenders》)、TokenMixer-Large(《Tokenmixer-large: Scaling up large ranking models in industrial recommenders》),采用 rule-based token mixing operation 实现 feature interaction。

    • FM-Based 框架:Wukong(《Wukong: Towards a scaling law for large-scale recommendation》),将 outputs of a FMB and a linear projection layer 拼接起来,从而提升 interaction component。

    所有实验在由 40 GPUs 组成的 a hybrid distributed training framework 下进行。所有模型使用一致的 optimizer hyperparameters:dense and sparse parts 均用 Adam 优化,学习率设为 0.001。

1.4.1 Performance Comparison (for Q1)

  1. 采用参数约 100 million 的 SOTA scaling architectures 与 UniMixer、UniMixing-Lite 对比,探索其 scaling laws。heterogeneous attention 架构作为 base model。Table 2 展示本文模型与 SOTA 模型的主要性能结果。可以看到:

    • 在更小的参数预算与计算成本下,UniMixer 与 UniMixing-Lite 架构在多个指标上均显著优于其他 SOTA 模型。

      TokenMixer-Large 的效果还不如 RankMixer?有点奇怪。

    此外,该广告投放场景中,除 UniMixer/UniMixing-Lite 外,RankMixer 性能优于所有其他 SOTA 模型。因此,我们选择该最强的 SOTA 模型与 UniMixer/UniMixing-Lite 进行 scaling laws 的对比。所有模型在相同数据集、一致超参数下进行训练,其参数量与 FLOPs 的 scaling curves 如 Figure 4 所示。可以看到:

    • 随 number of parameters/FLOPs 增加,三个模型的 AUC 均呈现清晰的 power-law 趋势。

    • UniMixer-Lite 实现最优的 scaling 效率,提升斜率更陡。

    根据 Figure 4,RankMixer、UniMixer、UniMixing-Lite 的 AUC 与 Parameters/FLOPs 的良好的 scaling laws 公式如下:

    ΔAUCRankMixer=0.002718×Params0.116043,ΔAUCRankMixer=0.002022×Params0.116635ΔAUCUniMixer=0.003032×Params0.131973,ΔAUCUniMixer=0.002058×Params0.125702ΔAUCUniMixer-Lite=0.003767×Params0.141903,ΔAUCUniMixer-Lite=0.002338×Params0.135327

    scaling laws 中的两个常数里,scaling exponent 常数对性能增长影响最大,是 scaling 效率的主导因素。UniMixer-Lite 展现出最强的 scaling 效率,在参数量与 FLOPs 上均取得最大的 scaling exponent 与 scaling coefficient,说明其从 increased model capacity 中获益最大。

1.4.2 Ablation Studies (for Q2)

  1. 为探索 global and local mixing weights 的特性,以及 UniMixer 中各模块对 AUC gains 的贡献,我们对多种 UniMixer 变体开展消融实验,测量其相对 full UniMixer model 的 AUC 变化。所有变体在相似设置下训练。结果如 Table 3 所示,移除任意模块或违反参数约束(parameter constraints)均会导致性能下降,其中 low temperature coefficient 与 model warm-up 对整体性能影响最显著。

    model warm-up 就是正文章节提到的线性温度退火.

1.4.3 Performance of the UniMixing-Lite Module (for Q3)

  1. 根据 Figure 4 的 scaling 趋势可见,本文 UniMixing-Lite 架构具备最优的参数效率与计算效率。本节开展实验,探究基矩阵集合 {Zℓ}ℓ=1b 的不同数量 b、不同的秩 r(AG,BG 的秩),以及不同 UniMixer block 数量的影响。如 Table 4 所示:

    • 随基矩阵数量 b 与 AG,BG 的秩 r 的增加,模型性能相应提升。

    • 但在参数效率方面,增加基矩阵数量 b 比增加秩 r 带来更高的 AUC gain。

    注意:RankMixer 的层数越多,效果反而下降了。

  2. 为观察低秩近似 AGBG 与带 Sinkhorn–Knopp 操作的基矩阵 {Zℓ}ℓ=1b 对重构 global and local mixing matrices 的影响,在2-blocks-UniMixer-Lite 架构中,我们可视化温度系数 τ=1 与 τ=0.05 时,第一个 UniMixer block 的 reconstructed global matrix W―G 与前六个 local mixing matrices W―Bi,如 Figure 5 所示。input embedding 维度为 768,block 大小为 B = 6,因此 W―G∈R128×128,W―Bi∈R6×6,其中 AG∈R128×16,BG∈R16×128。

    由 Figure 5 可见,尽管模块中使用了低秩近似与 basis matrices,Sinkhorn–Knopp 操作仍能保证矩阵接近满秩。此外,对比Figure 5(a)(b) and (c)(d),更低的温度系数下的 global and local mixing matrices,interaction distributions 比更高的温度系数下更尖锐。由消融实验结果可知,W―G 与 W―Bi 的稀疏性使模型性能大幅提升。

  3. 另一方面,由 Table 4 可见,随 UniMixer 的深度的增加,所提出的模型持续呈现清晰的 scaling-up 趋势,而 RankMixer 随深度的增加出现性能下降。UniMixing-Lite with 2 blocks and 4 blocks 的 scaling curves 如 Figure 6 所示,说明沿 depth 缩放比沿 width 缩放更高效。

1.4.4 Online A/B Test Results (for Q4)

  1. 为验证所提出的 UniMixer 架构的在线性能,我们将 UniMixer 与 UniMixing-Lite 部署至 Kuaishou 的多个广告投放场景。在线A/B 测试中,以 30 天观察窗口内的累计活跃天数(Cumulative Active Days: CAD)衡量 user engagement(排除 installation day,即 day 0)。在多个场景中,D1-D30 的 CAD 平均提升超 15%。

    没有详细的图表来说明?base model 是啥?有没有上线?这些都没讲。

1.5 结论

  1. 本文为推荐系统的 scaling laws 建立了一个统一的 scaling 框架,打通了 attention-based 方法、TokenMixer-based 方法与FM-based 方法的联系,使融合各自优势成为可能。从得到的 scaling laws 可见,与 SOTA 架构相比,本文的 UniMixing-Lite 实现了最优的参数效率与计算效率。我们已将该架构部署至 Kuaishou 的多个场景,取得显著的离线与在线收益。

    本工作不再孤立看待推荐系统中现有的 scaling 模块(如 Heterogeneous Attention、TokenMixer、Wukong),而是建立统一理论框架,为推荐系统的 scaling design 提供指导。我们相信该统一架构能助力推荐系统领域迎来属于自己的 "attention moment"。这个统一模块,UniMixer,是专为推荐领域设计的 fundamental block,其适用性可进一步扩展至 user behavior sequence modeling 任务与 generative recommendation 任务。

二、附录

2.1 附录 A:TokenMixer 等价变换数值示例

  1. 给定如下 input hidden state X∈R2×6,其中 xi 为标量:

    X=[x1x2x3x4x5x6x7x8x9x10x11x12]

    input hidden state X 经过 TokenMixer 操作后被变换为:

    TokenMixer(X)=[x1x2x3x7x8x9x4x5x6x10x11x12]

    TokenMixer 的输出可以被展平为一个向量:

    flatten(TokenMixer(X))=[x1,x2,x3,x7,x8,x9,x4,x5,x6,x10,x11,x12]⊤

    另一方面,向量 flatten(X) 可以通过乘以一个 R12×12 的矩阵被变换为 flatten(TokenMixer(X)),可写作:

    [100.000.000.000010.000.000.000001.000.000.000...+...+...+...000.000.100.000000.000.010.000000.000.001.000...+...+...+...000.100.000.000000.010.000.000000.001.000.000...+...+...+...000.000.000.100000.000.000.010000.000.000.001]⏟Wperm[x1x2x3x4x5x6x7x8x9x10x11x12]⏟flatten(X)=[x1x2x3x7x8x9x4x5x6x10x11x12]⏟flatten(TokenMixer(X))

    根据上式,本数值例子中的 TokenMixer 操作被等价变换为矩阵乘法形式。此外,置换矩阵 Wperm∈R12×12 可以被等价分解为下面两个小矩阵的克罗内克积(Kronecker product):

    Wperm=[1000001001000001]⏟Global Mixing Matrix⊗[100010001]⏟Local Mixing Matrix

    .

2.2 附录 B:UniMixing 模块的计算流程优化

  1. 定义 WG∈R(L//B)×(L//B) 和 WBi∈RB×B 如下:

    WG=[w(1,1)G⋯w(1,L//B)G⋮⋱⋮w(L//B,1)G⋯w(L//B,L//B)G],WBi=[v(1,1)i⋯v(1,B)i⋮⋱⋮v(B,1)i⋯v(B,B)i]

    其中 w(i,j) 和 v(i,j) 均为标量。

    根据公式 [x→1∣x→2∣⋯∣x→L//B]=Split(flatten(X),LB),flatten(X) 被均匀切分为 L//B 个向量,重写为:

    flatten(X)=[x→1∣x→2∣⋯∣x→L//B]⊤

    其中:x→i∈R1×B 是维度为 B 的行向量。

    根据 UniMixing 的原始表达式 UniMixing(X)=reshape((WG⊗{WBi}i=1L//B)flatten(X),1,L),项 (WG⊗{WBi}i=1L//B)flatten(X) 可以被重写为:

    (WG⊗{WBi}i=1L//B)flatten(X)=[w(1,1)GWB1⋯w(1,L//B)GWBL//B⋮⋱⋮w(L//B,1)GWB1⋯w(L//B,L//B)GWBL//B][x→1⊤⋮x→L/B⊤]=[w(1,1)GWB1x→1⊤+⋯+w(1,L//B)GWBL//Bx→L/B⊤⋮w(L//B,1)GWB1x→1⊤+⋯+w(L//B,L//B)GWBL//Bx→L//B⊤]∈RL×1

    另一方面,我们可以得到下面的表达式:

    WGreshape([x→1(WB1)⊤∣⋯∣x→L//B(WBL//B)⊤],LB,B)=[w(1,1)G⋯w(1,L//B)G⋮⋱⋮w(L//B,1)G⋯w(L//B,L//B)G][x→1(WB1)⊤⋮x→L//B(WBL//B)⊤]=[w(1,1)Gx→1(WB1)⊤+⋯+w(1,L//B)Gx→L//B(WBL//B)⊤⋮w(L//B,1)Gx→1(WB1)⊤+⋯+w(L//B,L//B)Gx→L//B(WBL//B)⊤]∈R(L//B)×B

    上式中的元素满足:

    w(i,1)GWB1x→1⊤+⋯+w(i,L//B)GWBL//Bx→L//B⊤=(w(i,1)Gx→1(WB1)⊤+⋯+w(i,L//B)Gx→L//B(WBL//B)⊤)⊤

    因此有:

    (WG⊗{WBi}i=1L//B)flatten(X)=reshape(WGreshape([x→1(WB1)⊤∣⋯∣x→L//B(WBL//B)⊤],LB,B),L,1)

    由于 WBi 和 (WBi)⊤ 都是可学习参数,参数的转置不会影响模型。因此,computation pipeline optimization 后的 UniMixing 模块可以写作:

    UniMixing(X)=reshape(WGreshape([x→1(WB1)⊤∣⋯∣x→L//B(WBL//B)⊤],LB,B),1,L)

    .