TreeHop：無需大語言模型的高效多跳問答新范式
- 項目倉庫：https://github.com/allen-li1231/treehop-rag
- Arxiv: https://arxiv.org/abs/2504.20114
在人工智能領域，多跳問答（Multi-hop Question Answering, MHQA）一直是一項極具挑戰性的任務。這類任務要求系統通過多步推理，從不同文檔片段中綜合信息才能得出答案。例如，回答“特朗普的祖父是誰？”這樣的問題，往往需要先檢索“特朗普的父親是弗雷德·特朗普”，再進一步查詢“弗雷德·特朗普的父親是誰”。然而，現有方法依賴大型語言模型（LLM）反復重寫查詢，導致計算成本高昂、延遲顯著。近期，一項名為TreeHop的研究提出了一種全新的解決方案，通過嵌入空間的動態更新，實現了99%的延遲降低與5%-0.4%的模型參數量，為高效多跳推理開辟了新路徑。
1. 傳統方法的瓶頸：LLM依賴與效率困境
現有的檢索增強生成（RAG）系統通常采用“檢索-重寫-向量化-再檢索”的循環流程。例如，系統需用LLM根據首次檢索得到的文本生成新查詢，再重新編碼并檢索。這一過程雖能提升召回，但每次迭代均需調用LLM對原問題進行重寫（query rewrite），再使用sentence embedding模型映射到向量空間，導致計算資源消耗巨大，延遲過高，難以在工業場景中高效部署。
2. TreeHop的核心突破：嵌入空間的動態演化
TreeHop的創新在于完全摒棄LLM，直接在嵌入空間中完成多跳推理。其核心機制包括：
2.1. 動態嵌入更新的雙模塊協同
TreeHop通過query embedding與文檔塊嵌入的動態交互生成下一步查詢，其公式為：
其中：
- **( q_r - c_r )**：通過減法抑制當前query與文檔塊的語義重疊，避免冗余檢索。例如，若當前文檔已確認“弗雷德是特朗普的父親”，從更高維的角度來理解，該操作會剔除query中與“弗雷德”相關的信息，確保下一跳聚焦于未解決的語義（如“弗雷德的父親”）。
- UpdateGate：基于跨注意力機制（cross-attention），從文檔塊中提取query中沒有的新信息并融合到query中。例如，當檢索到“弗雷德是特朗普的父親”時，UpdateGate會捕捉“弗雷德”這一新事實，并將其補充到query embedding中，形成下一跳的查詢方向。
兩者的結合實現了“去冗余”與“信息增強”的協同：減法操作防止重復檢索，而加法操作引入新線索。
2.2. 雙重剪枝策略
- 冗余剪枝：若某文檔片段已在先前步驟中被檢索，則終止該路徑。
- 層級Top-K剪枝：每層僅保留相似度最高的K個候選，將檢索復雜度從指數級（如53=125）降至線性增長（如5*3=15）。
實驗表明，TreeHop在3個主流MHQA數據集（2WikiMultiHop、MuSiQue、MultiHop RAG）上，僅用0.06秒即可完成3跳檢索，召回率與LLM方案相當，部分場景甚至提升4.1%。
3. 工業應用：低成本部署與實時響應
TreeHop的技術突破為工業界提供了極具吸引力的解決方案：
- 成本效益：參數量僅為傳統方案的0.4%-5%，可于單塊Nvidia V100 GPU中訓練，顯著降低硬件投入。
- 實時性：99%的延遲縮減使其適用于客服系統、金融信息檢索等對多跳場景剛需，同時對響應速度敏感的領域。
- 多語言支持：TreeHop基于BGE-m3模型的embedding訓練，可快速適配全球化業務需求，如跨境法律咨詢或跨地區醫療知識庫。
本文轉載自??大語言模型論文跟蹤??，作者：HuggingAGI
