上周，DeepSeek 发布了 R1 模型。如重磅炸弹在 AI 圈引发轰动。作为国产模型，在各类测试中表现亮眼，不少指标直逼甚至超越 OpenAI 的 o1 系列等行业标杆。消息一出，AI 爱好者们瞬间沸腾，纷纷在各平台讨论 R1 模型的神奇之处，研究人员也开始钻研其技术报告，试图揭开其强大能力背后的秘密。
然而，在大家为 R1 强大表现赞叹时，文科出身的我却被困在了官方介绍的第二行 --「蒸馏技术」-- 这又是个啥？好吧，大佬们都去测评R1的能力表现了，我还是先去老老实实的补课吧。
什么是蒸馏技术
AI 领域的知识蒸馏技术一般认为是由 Geoffrey Hinton、Oriol Vinyals 和 Jeff Dean 在 2015 年提出的。
他们在论文《Distilling the Knowledge in a Neural Network》中首次正式阐述了知识蒸馏这一概念和技术。通过将一个复杂的教师模型的知识迁移到一个简单的学生模型中，使学生模型能够在保持较高性能的同时，具有更小的模型规模和更快的推理速度，为解决深度学习模型部署和效率等问题提供了一种有效的方法。
简单地说就好像在学校里，老师拥有丰富的知识和经验，学生通过学习老师传授的知识，不断提升自己。在 AI 中，大模型经过大量的数据训练，学到了很多 “知识”，这些知识包含了对各种数据特征的理解、模式的识别等。而小模型由于参数较少、结构相对简单，直接训练的话，很难达到大模型的性能。这时候通过蒸馏，小模型可以学习大模型的 “思考方式” 和 “知识经验”，在保持一定性能的同时，还能拥有更快的推理速度和更低的计算成本，就像一个学生虽然没有老师那么渊博的知识，但通过向老师学习，也能在考试中取得不错的成绩。
例如，在图像识别任务中，大模型可以准确地识别出各种不同类型的图像，小模型通过蒸馏技术学习大模型的知识后，也能在图像识别上有较好的表现，而且在手机等计算资源有限的设备上，小模型可以更快地运行，实现实时的图像识别，比如快速识别照片中的物体、场景等 。
AI 蒸馏技术的具体做法
教师模型与学生模型的准备
在进行 AI 蒸馏技术的第一步，就是要准备好教师模型和学生模型 。就像一场精心筹备的教学活动，得先有一位经验丰富、知识渊博的 “老师”，以及一位渴望学习、潜力无限的 “学生”。
对于教师模型而言，它需要在大量的数据上进行长时间的训练，从而具备强大的能力，能够对各种复杂的数据模式进行准确的识别和分析。比如在图像识别领域，教师模型可能经过数百万张图像的训练，能够精准地识别出不同种类的动物、风景、人物等。它就像是一个训练有素的专家，对各种情况都了如指掌。在实际应用中，像 ResNet - 101 这样的大型卷积神经网络，常常被用作教师模型，它在大规模图像数据集（如 ImageNet）上的预训练，使其对图像特征有着极其出色的提取和分类能力。
而学生模型呢，则是一个结构相对简单、参数较少的模型，它的计算资源需求也相对较低。这就好比一个刚刚起步的学习者，虽然没有老师那么丰富的经验和深厚的知识储备，但它有着学习的热情和潜力。学生模型可以是教师模型的简化版本，例如减少层数、降低神经元数量等。以基于 Transformer 架构的模型为例，如果教师模型是一个具有多层 Transformer 块和多头注意力机制的大型模型，那么学生模型可能只包含较少的 Transformer 层和头数 。在准备学生模型时，还需要对其参数进行初始化，这可以采用随机初始化的方式，就像让学生带着一张白纸开始学习；也可以基于一些预训练模型进行初始化，这就好比给学生提供了一些基础的知识框架，让他们在这个基础上更好地学习。
知识传递的过程
当教师模型和学生模型都准备好后，就进入了关键的知识传递阶段 。在这个阶段，学生模型不仅要学习原始数据的标签，也就是我们通常所说的 “硬目标”，还要努力模仿教师模型的输出，这个输出通常被称为 “软目标”，它是一种概率分布形式的标签，包含了比硬目标更丰富的信息。
比如说在一个图像分类任务中，有一张图片，它的真实标签是 “猫”，这就是硬目标。教师模型经过对这张图片的分析后，输出的结果可能是 “猫” 的概率为 0.8，“狗” 的概率为 0.1，“其他动物” 的概率为 0.1 。这个概率分布就是软目标，它告诉学生模型，虽然这张图片大概率是猫，但也有一定的可能性是其他动物，这就为学生模型提供了更多的学习信息。
在实际训练过程中，为了让学生模型更好地模仿教师模型的输出，通常会引入一个温度参数（通常用 T 表示） 。这个温度参数就像是一个调节旋钮，用来控制软目标概率分布的平滑程度。当温度 T 较大时，软目标的概率分布会更加平滑，各个类别的概率差异会变小，这就意味着学生模型会更多地学习到教师模型对各个类别的 “综合判断”，而不仅仅是关注可能性最大的那个类别；当温度 T 较小时，软目标的概率分布会更加陡峭，可能性最大的那个类别的概率会更加突出，学生模型就会更侧重于学习教师模型对最可能类别的判断。例如，在一个 10 分类的任务中，当 T = 1 时，教师模型输出的软目标可能是 [0.9, 0.05, 0.02, 0.01, 0.01, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.02] ，而当 T = 10 时，软目标可能会变成 [0.5, 0.15, 0.1, 0.08, 0.07, 0.03, 0.03, 0.02, 0.01, 0.01] ，可以明显看出温度对软目标分布的影响。
T = 1
[0.9, 0.05, 0.02, 0.01, 0.01, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.02]
T = 10
[0.5, 0.15, 0.1, 0.08, 0.07, 0.03, 0.03, 0.02, 0.01, 0.01] 为了看出学生模型和教师模型之间有多大差别，还会设置一个损失函数。这个损失函数一般包含两部分：第一部分是学生模型和教师模型输出的概率分布差别，通常用 KL 散度（Kullback - Leibler Divergence）来计算，KL 散度可以用来判断两个概率分布有多相似；第二部分是学生模型预测的结果和真实标签之间的差别，在分类任务里，常用交叉熵损失函数来计算。通过不断调整学生模型的参数，让这个损失函数变得最小，这样学生模型就能慢慢学到教师模型的知识和经验。在实际训练时，根据具体任务和实验情况，调整这两部分损失的比重，从而达到最好的训练效果。比如，要是更在意学生模型预测真实标签的准确性，那就可以适当加大交叉熵损失的比重；要是希望学生模型能更好地模仿教师模型的输出，那就可以加大 KL 散度损失的比重。
蒸馏技术的作用
从模型部署上说，在 AI 的实际应用中，模型的部署场景是多种多样的，其中很多设备的计算资源和内存都非常有限，就像一个小户型的房子收纳空间就会非常有限一样。像手机、智能手表等移动和物联网设备，它们的芯片算力、内存与大型服务器相比差距很大。若在这些设备上运行未经蒸馏的大模型，AI 应用会运行缓慢、卡顿甚至无法运行。
通过知识蒸馏，小模型可以在保持一定性能的基础上，顺利地在这些资源受限的设备上运行，同时又不会因为过高的计算需求导致设备过热、电量消耗过快等问题 。在自动驾驶领域，边缘计算设备需要实时处理大量的传感器数据，如果使用大模型进行计算，很难满足实时性的要求，而蒸馏后的小模型则可以在有限的硬件资源下，快速地做出决策，保障行车安全。
在推理速度上，小模型由于参数少、结构简单，在进行推理时，可以快速地得出结果。因此在一些对实时性要求极高的场景，小模型的快速推理能力就显得尤为突出，它可以让用户享受到更加流畅、无延迟的体验。
从能耗方面来看，小模型的运行就像是一个节能灯泡，消耗的电量很少；而大模型则像一个大功率的电暖器，能耗很高 。在数据中心，大量的服务器运行着各种 AI 模型，如果都使用大模型，那么电力成本将是一个巨大的开支。通过蒸馏技术使用小模型，不仅可以降低能耗，还能减少对散热设备的需求，进一步降低运营成本 。在一些依靠电池供电的设备中，如无人机、移动机器人等，降低能耗就意味着可以延长设备的工作时间，提高设备的使用效率。
