LLM CoT的工作原理

思维链（CoT：Chain of Thought）常常作为增强大模型推理能力的利器，

但大模型推理能力的提升多大程度上来自人为任务拆解？还是额外提示的Token激发了背后更强大的计算？

“让我们逐步思考：Transformer语言模型中的隐藏计算”[文献1] 发现了一个有趣的现象，

通过在思维链中添加无意义的中间Token（例如“……”）可以解决无中间Token时没法完成的较难的两个算法任务。

文献的结论是：添加额外Token就可以增强大模型推理，甚至可以与Token本身内容选择无关。

网友本就惊讶于著名提示词“让我们一步一步地想”（Let‘s think step by step）的神奇效果，

对本论文描述的“AI不依赖人类经验的token内容，隐藏自行推理”，就更觉得魔幻且担忧。

不过笔者发现，斯坦福谷歌等学者的预印论文，“思维链使Transformer能解决内在串行的问题”[文献2]， 可以非常直观的用来解释文献1中揭示的现象！

文献2采用了类似文献1中的电路复杂度分析的方法，将Transformer看作一定深度的复杂电路，分析其可以解决的问题的复杂度。

电路复杂度分析用 TC⁰ 表示可以通过一个固定深度的电路解决的计算问题，而足够长的思维链，能将Transformer的表达能力扩展到TC⁰之外。

文献结论：“从概念上讲，CoT赋予模型执行本质上串行计算的能力，这是Transformer所缺乏的，尤其是在深度较低的情况下。”

意思是文献1描述的“AI不依赖人类经验的token内容隐藏自行推理”，既不魔幻也不可怕，甚至可以说是Transformer内在缺陷导致的。

文献进一步论证，通过T步CoT，使用固定位精度和O(logn) 嵌入大小的固定深度Transformer可以解决任何可由大小为T的布尔电路解决的问题。

实证上，CoT的作用是，提高了低深度Transformer在内在串行问题上的表达能力。

笔者理解是，CoT 其实是引导了Transformer避免简单并行推理，而是通过串行的方式去一步步推理。

原理很直观，类似有向无环图DAG的处理，例如SQL数据查询，并不是所有的Access Plan DAG 中的算子都适合并行，有许多并行阻断算子 parallel blocker, 例如全局sort。

这是Transformer特有的现象吗？Mamba之类的潜力架构是否可以规避这个问题，优化zero-shot推理呢？

结合笔者的大模型数理原理的认知框架，可以这么看：LLM在范畴中采样，变分推理时，

串行处理，引入中间信息，加深LLM在范畴对象和态射中遍历的深度，逐步调整采样概率分布，实现更精确的推理；

并行处理，增加填充信息，在宽度上有机会影响采样的概率分布，进而影响最后的推理效果。