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ModernBERT 为我们带来了哪些启示？

news 来源：原创 2025/5/18 4:25:53

当谷歌在 2018 年推出 BERT 模型时，恐怕没有料到这个 3.4 亿参数的模型会成为自然语言处理领域的奠基之作。

六年后的今天，面对动辄千亿参数的大语言模型浪潮，Answer.AI、LightOn与 HuggingFace 联手打造的 ModernBERT 却选择了一条返璞归真的道路：通过架构创新，将大语言模型的先进经验移植到小型模型中，让 4 亿参数的小模型迸发出超越预期的性能。

为了深入了解 ModernBERT 的独特之处，本文将对其与两个经典模型：jina-XLM-RoBERTa (jina-embeddings-v3 背后的多语言基础模型) 和 RoBERTa-large 进行全面的对比分析。

三大模型概览

ModernBERT（2024 年 12 月）

由 Answer.AI、LightOn 与 HuggingFace 联合研发，这个新生代小模型融合了多项前沿技术：采用 RoPE 旋转位置编码，支持 8,192 token 的长上下文窗口；集成 GeGLU 激活层，在保持计算效率的同时提升模型表现。

jina-XLM-RoBERTa（2024 年 9 月）

基于 Meta 的 XLM-RoBERTa改进的多语言文本向量模型。原始 XLM-RoBERTa 使用 XLM 大型多语言数据集增强了 RoBERTa，而 jina-XLM-RoBERTa 引入了长上下文训练，整合 RoPE 编码和支持 FlashAttention-2 加速。这个模型是 jina-embeddings-v3 的基础。

RoBERTa-large（2019 年 7 月）

由 Meta 开发的 BERT 增强版本，3.55 亿参数。采用了动态掩码技术，训练数据量级显著提升，在 GLUE、SQuAD、RACE 等权威榜单保持优势，胜任文本分类、问答系统等 NLP 核心任务。

本文将从架构设计、效率优化和应用场景这三个维度，深入对比分析这三个模型，希望能帮助开发者们更好地理解 ModernBERT 的成功之道，并为 BERT 系列模型的未来发展提供一些启发。

我们还将分享 jina-embeddings-v3 的开发经验，并展望下一代 jina-embeddings-v4 和 jina-reranker-v3 的优化方向。

ModernBERT 的参数效率

作为首个成功借鉴大模型技术经验的小型架构，ModernBERT 在参数利用效率上展现了 3 大创新策略：

策略一：深而窄的架构

虽然 ModernBERT 的模型层数有所增加，达到 28 层，但其参数量（约 4 亿）与 RoBERTa-large（约 3.55 亿）基本持平，而 jina-XLM-RoBERTa 由于需要支持 89 种语言，其参数量达到了 5.5 亿。

这里暗藏着一个反直觉的设计策略：对于中小规模模型，深度（层数）比宽度(隐藏层维度)更能有效提升性能。深而窄的模型架构能在保持总参数量稳定的情况下，获得更强的抽象特征提取能力。

通过下表对比可以看到设计巧思，transformer 的大部分参数来自注意力层和全连接层。而 ModernBERT 将单层宽度从 4,096 压缩至 2,624，再通过增加 4 层深度补偿性能。

这种设计思路与 Meta 的 MobileLLM 研究结论高度一致：当模型尺寸较小时，深度带来的信息处理增益显著优于宽度扩展。 本质上，通过更多 transformer 层处理信息的能力比拥有更宽的层进行并行处理更有价值。

让我们看看这种深而窄架构的性能数据。

实测数据显示，在保持参数量级相近的前提下，深而窄架构的 ModernBERT 在检索任务（MRR@10）和语义相似度计算（STS）等核心场景中，性能优于传统浅而宽架构的竞品模型。

以 jina-XLM-RoBERTa 为例，它在 RoBERTa-large 浅而宽的架构基础上，将词汇表从 5 万扩大到了 25 万个 token，并使用了更多的数据进行训练。尽管如此，ModernBERT 在性能上仍然略胜一筹，这有力地表明了架构上的改变确实能在效率方面带来显著的提升。

策略二：精准控制词汇表规模

在 Transformer 架构中，词表参数量由公式决定：词汇表参数量 = 词元数量 × 隐藏层维度，以 jina-XLM-RoBERTa 为例：25 万词元 × 1,024 维度 = 2.56 亿参数。光是词汇表编码就得用掉 2.56 亿个参数，这还没开始处理任何实际的语言任务呢！

不同分词器对词汇表规模的影响

如上图所示，Transformer 模型的第一层，通过一个权重矩阵（即词汇权重）把词元映射为隐藏状态。如果直接使用全部 UTF-8 码点，共 1112064 个，再乘上 1024 维的隐藏层，光是词元转换就得耗费 11.4 亿个参数。

虽说对于那种参数量上千亿的大型语言模型（LLM）来说，这点开销还能接受，但对于参数规模小于 100 亿的模型来说，相当于直接浪费了 90% 的算力资源。这也是 BPE（字节对编码）等分词算法成为行业标配的根本原因，它们能把常见的 UTF-8 码点合并成一个词元，节省不少参数。

但关键是：词汇表权重不参与注意力计算，本质上只是一个静态的查找表。对于参数量受限的小模型（SLM），过大的词表会严重挤占核心模块的资源。

测评结果也印证了这一点，只支持英语的 ModernBERT-large 模型规模虽小，却在性能上超越了支持多语言的 jina-XLM-RoBERTa。因为 jina-XLM-RoBERTa 为了支持 89 种语言，把 47% 的参数都分配到词汇表编码上了。而 ModernBERT 通过精简词汇表，在保证性能优势的同时，实现了更快的推理速度，特别适合那些资源敏感的场景。

因此，如果我们只考虑核心模型参数，不包括词汇权重，你会发现 ModernBERT 的实际计算能力远超它的竞争对手！在真正的语言建模上，ModernBERT 比 jina-XLM-RoBERTa 多了 19% 的参数，比 RoBERTa-large 也多了 15%。

策略三：渐进式参数空间扩展

在构建 jina-BERT-v2 过程时，我们发现从头训练小语言模型（SLM）代价实在太高了，随着模型参数增多，训练需要的计算资源快速增加。在计算资源有限的情况下，导致训练周期延长和试错迭代速度变慢。

ModernBERT 的解决方案很巧妙，提出了一种基于参数空间扩展（Weight Tiling）的渐进式初始化方案，利用已经训练好的模型权重来初始化更大规模的模型，目的是让未训练的模型参数保留部分理解能力。

这个思路借鉴了 DeepMind 的 Gopher 和微软的 Phi-2，但这是首次将其系统应用于 SLM 训练优化，并取得了显著效果。

基于基础模型的参数拓展策略

深度维度扩展（层数扩展）：

以 22 层的 ModernBERT-base 作为基座模型。
借鉴 Gopher 的深度初始化策略，将模型扩展到 28 层。
新增的 6 层 (23-28 层) 直接继承了基座模型对应层的权重，实现深度的快速扩展。

宽度维度扩展（参数量扩展）

每层的权重矩阵采用 Phi-2 的中心平铺方法。
将基座模型的权重矩阵放置在 ModernBERT-large 权重矩阵的中心位置。
边缘区域则通过循环填充基座模型的参数进行初始化。

这种初始化策略策略的核心优势在于：ModernBERT-large 无需从零训练，而是通过利用小版本模型已学习到的知识，从而实现模型的热启动（Warm Start）。实践证明，这种方法在扩展较大规模的语言模型时非常有效。

我们观察到，热启动模型能快速从参数激增导致的高初始损失中恢复，迅速逼近基座模型的损失水平。通过该方法，能够将 4.17 亿参数的模型扩展超 3 倍，且性能始终优于同规模的从头训练的模型。并且，这种优势不仅体现在训练初期，而是贯穿整个训练周期。

——《Scaling Language Models: Methods, Analysis & Insights from Training Gopher》

循环权重封装不仅是为了方便，更因为它完美契合了注意力矩阵天然具备的周期性特征。Gopher 团队的研究发现，对于参数在 90 亿以下的小型语言模型（SLMs），这种方案能真正发挥威力。但随着模型规模增大，其优势会逐渐减弱。

ModernBERT 的代码建模

ModernBERT 基于其代码优化的分词器和训练数据，在代码理解方面取得了显著进展。这种针对代码处理的微调，在理解和检索任务中均取得了显著性能提升。

我们基于 CodeSearchNet 数据集进行了对比实验，评估模型根据自然语言描述检索对应代码片段的能力。实验中，我们依然是选取了 3 个模型：ModernBERT、jina-XLM-RoBERTa 和 RoBERTa-large。结果表明，ModernBERT 在绝大多数子任务中均处于领先地位。

从技术角度分析，jina-XLM-RoBERTa 和 RoBERTa-large 在预训练阶段均未接触编程语言数据，而 ModernBERT-large 则训练了 2 万亿个 token，其中包含了大量代码。这种对编程语法和模式的接触，使其在代码相关任务中拥有明显优势。

而 jina-XLM-RoBERTa 相对 RoBERTa-large 的微弱优势，可能源于其多语言数据带来的隐式模式泛化能力。

分词器的优势

ModernBERT 在代码处理方面表现优秀，原因在于它采用了专门针对代码训练的 OLMo Tokenizer，而不是传统 BERT/RoBERTa Tokenizer。

作为模型处理文本的核心组件，分词器承担着将原始文本转化为向量表示的关键任务。其工作原理是通过学习常见字符组合模式，将文本切分为具有语义价值的词元（token），再映射成向量表示，这些词元向量才是模型实际处理的基本单元。

相较于传统分词器可能将代码标识符（如 init）错误切分为 in+it，导致语义完整性受损，ModernBERT 的分词器能完整保留编程语义单元，形成符合代码逻辑的词元切分边界。

在处理代码结构特征方面，ModernBERT 也表现出色，以空格处理为例：

对于 Python 等依赖缩进的语言，它可以把前导空格编码为独立 token，能区分 4 空格与 8 空格的缩进层级。相比之下，jina-XLM-RoBERTa 会将连续空格压缩为 _ 符号，而 RoBERTa-large 每个空格都视为独立的 token。

这种差异直接影响了模型输入质量：ModernBERT 获得的是精准连贯的代码表征，而其他模型处理的则是碎片化、语义模糊的词元序列，最终导致代码理解效果存在显著差异。

ModernBERT 的长文本处理能力

ModernBERT 在长文本建模领域实现技术突破，其核心优势源于：① 基于 3000 亿 token 超大规模语料构建的长文档训练体系（8192 token 长样本占比超四成）② 融合全局-局部感知的混合注意力架构。

为验证模型性能，我们在 MLDR 多语言长文本建模基准测试集（涵盖 13 种语言）开展对比实验。受限于当前版本的语言支持，我们只选取英语子集，此外实验对象限定为同属 8K 长上下文处理能力的 ModernBERT 与 jina-XLM-RoBERTa（RoBERTa-large 因 512 token 长度限制未纳入对比）。

ModernBERT 的性能优势不仅源于大量的长文本训练数据，杀手锏在于其独创的注意力双轨机制。和 jina-XLM-RoBERTa 在每层都铺满计算成本高昂的全局注意力不同，ModernBERT 采用了更高效的交替策略：每 3 层部署全局注意力，RoPE 旋转基数 θ = 16 万，其余层则采用 128 token 滑动窗口的局部注意力，θ = 10 万。

这种混合交替的注意力架构在维持模型性能的同时，显著降低了计算复杂度。实验数据显示，其训练时间较全局注意力方案减少约 40%，为长文本模型的实用化提供了新范式。

完整实现参见论文：https://arxiv.org/pdf/2412.13663

苦涩的教训？

传统认知里，AI 的发展范式始终被「Scaling Law」和「Bitter Lesson」所主导 —— 人们坚信，模型性能的突破必须依赖参数规模与训练数据的同步扩张。

这一理念也深刻影响了我们的技术路径选择，从语料库的持续拓展到采用 LoRA 进行任务适配的策略，处处彰显着"大力出奇迹"的研发惯性。

但 ModernBERT 的横空出世打破了这一迷思，它证明了 SLM 可以凭借创新的架构设计实现卓越的结果，而不一定要扩大参数规模。

最新发布的 Stella Embeddings 技术报告进一步印证：通过提升数据利用效率，现有规模的嵌入模型仍有巨大优化空间，根本无需盲目扩张语料库或堆砌参数。

🔗: https://arxiv.org/pdf/2408.11868

向量模型的 Scaling Law，数据来源于 MTEB 排行榜前 100 名模型，

已剔除闭源产品及异常数据。

图中展示了英语任务中 MTEB 评测指标与向量模型参数量的关系。每个点代表一个向量模型，其中多语言模型以青色标注。值得注意的是，jina-embeddings-v3 在同等规模模型中表现突出，相较于前代v2版本实现了超线性提升。

展望未来，随着数据使用效率的提升和 ModernBERT 技术的成熟，模型的计算成本和体积都有望继续降低。短期来看，我们可以直接引入论文中提到的轻量级改进方案：比如增加代码训练数据的比例，使用更适合编程语言的分词器。中期，考虑重构转向深而窄的架构，探索较小模型引导大模型的蒸馏技术。

当多模态嵌入模型逐渐成为基础设施之际，如何构建更智能、更快速、且具备多模态处理能力的搜索基座模型，已成为我们面临的长期挑战。这类应用不仅要求模型具备跨模态理解能力，还需要突破超长上下文窗口的效率瓶颈，这仍是亟待解决的技术难点。

结论

在本文中，我们探讨了 ModernBERT 推动 BERT 模型发展的 3 个关键创新：深而窄的架构设计、分词器的优化以及权重平铺的扩展策略。

该模型在仅 1.4 亿参数规模下，性能全面超越参数量达 3.55 亿的 RoBERTa-large 和跨语言标杆 jina-XLM-RoBERTa，揭示了模型架构优化可能比单纯扩大参数规模更具价值。

特别值得一提的是权重平铺技术的成功实践，这种渐进式扩展策略在降低 40% 训练成本的同时，竟还能提升模型性能。加之其紧凑型词汇表和精准优化的组合拳，为资源受限场景下的专用小型语言模型（SLMs）打开了新天地，当硬件红利期逐渐消退时，算法层面的创新正在成为新的破局点。