告別「單線(xiàn)程」思維，智能體進(jìn)化出了原生的并行推理大腦

論文發(fā)表于 ICML 2026 主會(huì)，核心作者為北京通用人工智能研究院（通研院）研究員吳桐、劉洋和白駿，以及通訊作者為通研院語(yǔ)言交互實(shí)驗(yàn)室研究員賈子夏和 實(shí)驗(yàn)室主任鄭子隆。

近年來(lái)，大語(yǔ)言模型在「寫(xiě)得長(zhǎng)、寫(xiě)得順」這件事上進(jìn)步飛快。但當(dāng)任務(wù)升級(jí)到真正復(fù)雜的推理場(chǎng)景 —— 需要兵分多路探索、需要自我反思與相互印證、需要在多條線(xiàn)索之間做匯總與取舍時(shí)，傳統(tǒng)的鏈?zhǔn)剿季S（Chain-of-Thought）往往就開(kāi)始「吃力」：容易被早期判斷帶偏、發(fā)散不足、自我糾錯(cuò)弱，而且順序生成的效率天然受限。

北京通用人工智能研究院（BIGAI）語(yǔ)言交互實(shí)驗(yàn)室（NLCo）最新工作Native Parallel Reasoner（NPR，原生并行推理器），瞄準(zhǔn)的正是這類(lèi)瓶頸：

讓智能體在一次思考中同時(shí)衍生并維護(hù)多條候選推理路徑，并在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)「分支 + 聚合」，最終像拼圖一樣匯總線(xiàn)索，合成最優(yōu)解。

更重要的是，NPR 的突破點(diǎn)不只是「并行生成的工程技巧」，而是提出了一套「自蒸餾 + 并行強(qiáng)化學(xué)習(xí)」三階段訓(xùn)練范式，并配套專(zhuān)門(mén)的并行推理引擎，目標(biāo)是讓并行推理從外部推理策略變?yōu)槟Ｐ偷脑J(rèn)知能力。

• 論文標(biāo)題：Native Parallel Reasoner: Reasoning in Parallelism via Self-Distilled Reinforcement Learning
• 論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2512.07461
• 代碼實(shí)現(xiàn)：https://github.com/bigai-nlco/Native-Parallel-Reasoner
• 項(xiàng)目主頁(yè)：https://bigai-nlco.github.io/Native-Parallel-Reasoner

人們對(duì)語(yǔ)言智能體（Language Agent）的研究已經(jīng)把關(guān)注從「單一思維鏈擴(kuò)展」推廣到了「多步深度推理」。模型能夠進(jìn)行更深層次的推理令人興奮，但未來(lái)的超級(jí)智能真正需要的，是能更廣泛地并行探索多條可能思考路徑—— 也就是在一次推理過(guò)程中同時(shí)嘗試多種解法，然后再把結(jié)果合并校驗(yàn)。類(lèi)似 MapReduce [2] 的分而治之思路對(duì)進(jìn)一步擴(kuò)展智能體的測(cè)試時(shí)計(jì)算 [3] 的能力邊界至關(guān)重要，但想把它天然地整合進(jìn)一個(gè)智能體中，存在巨大的挑戰(zhàn)。

1. 算法與架構(gòu)不匹配

現(xiàn)有推理引擎和 RL 算法很難原生地支持「分支 + 聚合」操作。推理引擎通常無(wú)法有效調(diào)度并行分支；常用的 RL 技術(shù)又會(huì)截?cái)嗷蛳魅跄切┯|發(fā)并行結(jié)構(gòu)的特殊詞元的梯度，阻礙模型學(xué)習(xí)嚴(yán)格的并行控制邏輯。

2. 低效的手工并行機(jī)制

早期把并行思路內(nèi)化的嘗試多依賴(lài)于手工設(shè)計(jì)的分治規(guī)則，無(wú)法充分復(fù)用共享的 KV Cache 狀態(tài)，導(dǎo)致每個(gè)分支重復(fù)計(jì)算，時(shí)間復(fù)雜度退化到線(xiàn)性 O (N)，難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)或大規(guī)模部署的效率要求。

3. 對(duì)強(qiáng)監(jiān)督蒸餾的依賴(lài)

像 Multiverse [4] 這類(lèi)方法雖能實(shí)現(xiàn)并行，但高度依賴(lài)于強(qiáng)教師模型蒸餾出的示例，無(wú)法通過(guò)自舉的方式擴(kuò)展自身的智能邊界。學(xué)生模型不過(guò)是在模仿教師的串行拓?fù)洳阉溉搿共⑿懈袷剑Y(jié)果是把教師的局限也一并繼承，短時(shí)間內(nèi)難以產(chǎn)生新的、模型本身固有的并行策略 —— 達(dá)到了目前的「智能瓶頸」。

背景與痛點(diǎn)：為什么我們迫切需要并行推理？

人們對(duì)智能體的期待，正在從「能多想一步」的單一思維鏈，升級(jí)到「能多維思考」的深度推理。未來(lái)更強(qiáng)的智能體，必須具備廣泛探索多條思考路徑的能力 —— 這很像經(jīng)典的MapReduce [2]思想：把復(fù)雜問(wèn)題拆開(kāi)并行處理，再聚合結(jié)果完成全局最優(yōu)的決策。

但要讓模型真正學(xué)會(huì)這種「分身術(shù)」，現(xiàn)實(shí)里往往卡在三座大山：

1）并行思考數(shù)據(jù)極難獲得：對(duì)強(qiáng)教師蒸餾的過(guò)度依賴(lài)

現(xiàn)有不少并行推理工作需要強(qiáng)教師模型提供高質(zhì)量并行軌跡（如 Multiverse [4] 類(lèi)方法）。問(wèn)題在于：

• 學(xué)生模型更多是在模仿教師的串行拓?fù)湓佟溉M(jìn)并行格式」，
• 結(jié)果是把教師的局限一并繼承，難以自舉式擴(kuò)展智能邊界，
• 很難真正涌現(xiàn)出「模型自身固有的并行策略」，形成新的智能瓶頸。

2）低效的手工并行機(jī)制：分支之間難共享、重復(fù)計(jì)算嚴(yán)重

早期模型并行常依賴(lài)手工設(shè)計(jì)的分治規(guī)則：每條路徑按既定模式推理或生成。由于缺乏對(duì)共享步驟的有效復(fù)用，常常出現(xiàn)每個(gè)分支都重復(fù)計(jì)算公共前綴的情況，效率很難滿(mǎn)足實(shí)時(shí)推理和大規(guī)模部署需求。

3）基礎(chǔ)設(shè)施與算法對(duì)并行架構(gòu)支持不足：分支 + 聚合「學(xué)不會(huì)」

現(xiàn)有推理引擎、強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法對(duì)「分支 — 聚合」結(jié)構(gòu)往往缺乏原生支持：

• 推理引擎難以高效調(diào)度并行分支；
• 常用 RL 技術(shù)可能會(huì)截?cái)嗷蛳魅跤|發(fā)并行結(jié)構(gòu)的特殊控制詞元梯度，從而阻礙模型學(xué)習(xí)嚴(yán)格的并行控制邏輯。

NPR 的核心理念：把「并行性」升維成模型的原生能力

NPR 的關(guān)鍵詞在「原生」二字：研究團(tuán)隊(duì)試圖在零外部監(jiān)督（不依賴(lài)強(qiáng)教師并行軌跡）的條件下，探索一條讓模型自我進(jìn)化出并行推理能力的路徑。

整體思路是一個(gè)漸進(jìn)式的三階段訓(xùn)練范式，讓模型從「會(huì)用并行格式寫(xiě)出來(lái)」，逐步過(guò)渡到「計(jì)算圖層面真的并行執(zhí)行」。

三階段訓(xùn)練范式：從「并行外形」到「并行大腦」

階段一：并行格式學(xué)習(xí) —— 先學(xué)會(huì)「怎么寫(xiě)成并行」

第一步不追求一步到位「真的并行」，而是讓模型先掌握并行推理的表達(dá)結(jié)構(gòu)：如何標(biāo)記分支、如何組織多條候選路徑、如何定義聚合點(diǎn)。

階段二：自蒸餾 —— 內(nèi)化「并行思考邏輯」，擺脫外部老師

在具備并行表達(dá)能力后，NPR 用自蒸餾方式讓模型用自己的生成結(jié)果反過(guò)來(lái)訓(xùn)練自己：

通過(guò)篩選與沉淀，讓模型逐步內(nèi)化「多分支探索 — 相互印證 — 匯總收斂」的推理規(guī)律，而不是照搬教師的串行偏好與局限。

階段三：并行感知強(qiáng)化學(xué)習(xí) —— 從「模仿并行」邁向「執(zhí)行并行」

最后一步是關(guān)鍵躍遷：利用并行感知的強(qiáng)化學(xué)習(xí)，讓模型學(xué)到什么時(shí)候該分叉、分叉多少、如何在聚合點(diǎn)進(jìn)行比較與合并，使并行不再停留在文本表面，而是真正成為推理過(guò)程可執(zhí)行的控制邏輯。

這一步把「并行性」從工程技巧，推進(jìn)到模型的原生能力層面。

如下圖所示，經(jīng)過(guò)三個(gè)階段的訓(xùn)練，NPR 準(zhǔn)確率從約 17% 持續(xù)爬升，最終達(dá)到 50.4%（中間兩條學(xué)習(xí)曲線(xiàn)分別對(duì)應(yīng)第一階段的格式學(xué)習(xí)與第三階段的并行強(qiáng)化學(xué)習(xí)）；與傳統(tǒng)推理方式相比，NPR 實(shí)現(xiàn)了約 4.6 倍生成加速（右側(cè)柱狀圖）。

NPR 具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

NPR 訓(xùn)練范式

Stage 1：Format-following Reinforcement Learning（NPR-ZERO）

• 目標(biāo)：在無(wú)任何外部并行示例 / 教師情況下，讓模型學(xué)會(huì)生成結(jié)構(gòu)化的并行格式（如
• 等結(jié)構(gòu)化標(biāo)簽），并盡量保證答案正確性。
• 方法：以格式合規(guī)與答案正確為獎(jiǎng)勵(lì)信號(hào)，對(duì)初始指令微調(diào)模型進(jìn)行 DAPO [6] 風(fēng)格的強(qiáng)化學(xué)習(xí)，從而得到能產(chǎn)出并行格式軌跡的生成器（NPR-ZERO）。這一步為后續(xù)自蒸餾提供原始候選軌跡。

Stage 2：Rejection Sampling + Parallel Warmup（NPR-BETA）

• 目標(biāo)：把 Stage 1 的「格式化產(chǎn)物」變?yōu)楦哔|(zhì)量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)并讓模型在并行語(yǔ)義上穩(wěn)定。
• 方法：對(duì) NPR-ZERO 進(jìn)行拒絕采樣 [7] 并應(yīng)用嚴(yán)格的篩選器（必須同時(shí)滿(mǎn)足 「格式合規(guī)」與「答案正確」），保留自蒸餾的并行推理軌跡，然后在此之上做冷啟動(dòng)的并行 SFT 預(yù)熱微調(diào)，同時(shí)引入并行注意力掩碼（Parallel Attention Mask）與并行位置編碼（Parallel Positional Encoding），讓模型內(nèi)部能夠支持并行分支的獨(dú)立計(jì)算（并實(shí)現(xiàn) KV Cache 重用以避免重復(fù)計(jì)算）。

Stage 3：Native-Parallel RL（PAPO）

• 目標(biāo)：在并行執(zhí)行引擎上用強(qiáng)化學(xué)習(xí)直接優(yōu)化并行分支策略，使其不僅會(huì)「寫(xiě)」并行格式，也會(huì)「算」并行結(jié)果。
• 方法：提出并實(shí)現(xiàn)Parallel-Aware Policy Optimization (PAPO)—— 對(duì)并行語(yǔ)義做專(zhuān)門(mén)修改的策略?xún)?yōu)化方法：使用并行 Rollout 的 NPR-Engine 推理引擎以保證結(jié)構(gòu)正確性、在批次層級(jí)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)歸一化、保留特殊結(jié)構(gòu)化 Token 的梯度并放棄重要性采樣以維持穩(wěn)定的 On-Policy 同策略梯度更新 [8]。PAPO 能直接在并行計(jì)算圖內(nèi)優(yōu)化分支策略，從不斷地試錯(cuò)中學(xué)會(huì)有效的問(wèn)題拆解與合并策略。

關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)

1. 自蒸餾與嚴(yán)格篩選（Rejection Sampling）

從 NPR-ZERO 生成大量并行格式的候選軌跡后，采用兩條硬性篩選規(guī)則只保留高質(zhì)量樣本進(jìn)入 D_accept：

• Outcome Correctness：模型生成的候選軌跡的解析答案與 Ground Truth 一致。
• Structured Parallelism：輸出嚴(yán)格遵循并行格式的 Schema（標(biāo)簽、塊邊界等）。

當(dāng)且僅當(dāng)同時(shí)滿(mǎn)足以上兩條規(guī)則的采樣軌跡被接受用于冷啟動(dòng)并行 SFT（NPR-BETA），此策略顯著減少噪聲并保證訓(xùn)練語(yǔ)料的并行性與可學(xué)習(xí)性。

2. 并行注意力掩碼與并行位置編碼

為在單次前向傳遞中同時(shí)存在多條 Reasoning Path，NPR 采用 Multiverse 風(fēng)格的并行注意力掩碼與專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的并行位置編碼（對(duì)應(yīng)論文給出的 Algorithm 2 偽代碼），保證不同分支互相隔離但共享上下文 KV Cache [8]，從而實(shí)現(xiàn)KV Cache 重用并避免每條分支重復(fù)計(jì)算上下文代價(jià)。該編碼亦允許通過(guò)標(biāo)簽 Token 標(biāo)明分支 / 步驟 / 指南塊，便于引擎解析。

3. Parallel-Aware Policy Optimization（PAPO）

并行語(yǔ)義下直接套用經(jīng)典 PPO [9] 或 DAPO 會(huì)遇到特殊 Token 被剪裁掉、重要性采樣不穩(wěn)定等問(wèn)題。PAPO 的主要設(shè)計(jì)包括：

1. 并行 Rollout：使用 NPR-Engine 產(chǎn)生嚴(yán)格遵守并行 Schema 的軌跡，保證樣本合法。
2. 結(jié)構(gòu)化過(guò)濾：格式違規(guī)樣本在進(jìn)入優(yōu)化前被剔除，獎(jiǎng)勵(lì)退化為純準(zhǔn)確性（+1 / ?1）。
3. 批次級(jí)優(yōu)勢(shì)歸一化（Batch-level Normalization）：由于格式違規(guī)樣本被移除，組內(nèi)方差塌縮，因此用更大范圍（batch 內(nèi)多組）統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)估計(jì)。
4. 保留特殊 Token 的梯度 & 放棄重要性采樣：為防止觸發(fā)并行結(jié)構(gòu)的特殊標(biāo)簽被裁剪掉，PAPO 在 Token 級(jí)別保留梯度流；同時(shí)放棄重要性采樣，采用嚴(yán)格的 On-policy Objective，避免重采樣比帶來(lái)的不穩(wěn)定。

AI Infra 工程化改進(jìn)：NPR-Engine

實(shí)驗(yàn)證明：把并行語(yǔ)義放到生產(chǎn)環(huán)境的并行 RL，會(huì)暴露出大量的工程問(wèn)題（KV Cache 重復(fù)釋放導(dǎo)致的內(nèi)存泄漏、并行 Token 計(jì)數(shù)導(dǎo)致的超長(zhǎng)生成、非法并行 schema 導(dǎo)致的未定義狀態(tài)等）。論文在引擎層面做了幾項(xiàng)關(guān)鍵修復(fù)：

• 預(yù)算感知的 KV 回收：避免 Radix-Tree KV 路徑的 Opportunistic Recycling 導(dǎo)致 Double-Free，引入預(yù)算感知的確定性回收機(jī)制與 Memory Flush 策略。
• 分支感知的 Token 累積策略：把全局 Token 預(yù)算從「只看最長(zhǎng)分支」改為 「按活躍分支因子累計(jì)」，避免超出 max_new_tokens。
• 格式預(yù)檢與輕量不變性：在分支展開(kāi)前加一層格式合法性檢查，快速拒絕潛在非法分支以保證 Determinism。

這些工程改進(jìn)和實(shí)現(xiàn)是確保能穩(wěn)定 Parallel RL 的訓(xùn)練，進(jìn)而獲得并行思考智能體的前提。

主要實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

評(píng)測(cè)基準(zhǔn)與度量

在 8 個(gè)推理型基準(zhǔn)上評(píng)測(cè)：AIME24/25、HMMT25、OlympiadBench、Minerva-Math、ZebraLogic、AMC23、MATH500 等。對(duì)小規(guī)模競(jìng)賽類(lèi)數(shù)據(jù)使用 avg@8（采樣 8 條解答的平均正確率），對(duì)大規(guī)模或單答設(shè)置使用 avg@1。

訓(xùn)練數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)：性能提升的關(guān)鍵在于用自行提煉的數(shù)據(jù)集（NPR-BETA 的 ORZ-8k）替換了 Multiverse 的訓(xùn)練語(yǔ)料庫(kù)（MV-4B 的 s1.1-8k）。盡管兩個(gè)流程在實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)上略有不同，但都依賴(lài)于并行式的 SFT，因此比較結(jié)果具有意義。數(shù)據(jù)替換的影響清晰且一致：AIME24 的性能從 46.7 提升至 50.8（+4.1），ZebraLogic 從 60.2 提升至 76.1（+15.9），AMC23 從 75.0 提升至 85.9（+10.9），MATH500 從 81.6 提升至 91.6（+10.0）。總體而言，平均得分從 50.1 提升至 59.0（+8.9）。

并行 SFT 的優(yōu)勢(shì)：從順序 SFT（例如 SR-BETA）切換到并行 SFT 方法（NPR-BETA）能夠顯著提升各種推理基準(zhǔn)測(cè)試的性能。順序 SFT 引入了較強(qiáng)的步驟依賴(lài)性先驗(yàn)，限制了任務(wù)分解的靈活性。相比之下，并行 SFT 在訓(xùn)練過(guò)程中使模型能夠接觸到結(jié)構(gòu)上并行的軌跡，從而實(shí)現(xiàn)更獨(dú)立的子問(wèn)題探索。具體而言，AIME25 從 37.1 提升至 42.9 (+5.8)，OlympiadBench 從 56.3 提升至 60.1 (+3.8)，HMMT25 從 22.5 提升至 23.3 (+0.8)，ZebraLogic 從 72.8 提升至 76.1 (+3.3)。整體性能從 58.2 提升至 59.0 (+0.8)，僅在少數(shù)基準(zhǔn)測(cè)試中出現(xiàn)輕微退步。

并行強(qiáng)化學(xué)習(xí)優(yōu)勢(shì)：基于 NPR-BETA，應(yīng)用并行強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法可獲得進(jìn)一步的性能提升，并始終優(yōu)于順序強(qiáng)化學(xué)習(xí)（NPR 與 SR 相比）。這些改進(jìn)是廣泛而系統(tǒng)的：AIME24 從 57.1 提升至 63.3（+6.2），HMMT25 從 26.3 提升至 30.8（+4.5），Minerva-Math 從 38.2 提升至 43.0（+4.8）。其他基準(zhǔn)測(cè)試也顯示出穩(wěn)步提升，AIME25（+1.2）、OlympiadBench（+1.5）、ZebraLogic（+2.8）、AMC23（+2.2）和 MATH500（+0.8）。總體而言，平均得分從 62.0 提升至 65.0（+3.0）。

Multiverse-32B 在不同數(shù)據(jù)集上的并行率差異顯著，表明其并行推理的采用高度依賴(lài)于數(shù)據(jù)集。尤其是在 ZebraLogic 等邏輯密集型任務(wù)上，其性能明顯低于多個(gè)數(shù)學(xué)競(jìng)賽數(shù)據(jù)集，這表明從順序行為逐步過(guò)渡到并行行為的 Multiverse 訓(xùn)練范式，導(dǎo)致并行策略的內(nèi)化不一致，并且對(duì)領(lǐng)域特征非常敏感。

相比之下，NPR 模型在所有八個(gè)數(shù)據(jù)集上均達(dá)到了 100.0% 的并行觸發(fā)率。這種一致性意味著端到端的 NPR 訓(xùn)練流程能夠更可靠地將并行推理作為模型的默認(rèn)問(wèn)題解決模式，而不受數(shù)據(jù)集領(lǐng)域或復(fù)雜性的影響。實(shí)際上，這意味著 NPR 不僅能更頻繁地觸發(fā)并行推理，而且能夠在不同的評(píng)估數(shù)據(jù)集上穩(wěn)健地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

NPR 在所有五個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試中均取得了最佳效率，始終優(yōu)于 Multiverse（1.3 倍至 2.4 倍）和自回歸基線(xiàn)，這表明該方法具有穩(wěn)健的泛化能力。重要的是，加速比隨任務(wù)難度而增加：NPR 在較難的問(wèn)題（AIME25：4.6 倍；HMMT25：4.1 倍）上觀察到的加速比在較容易的問(wèn)題（AMC23：2.9 倍）上更大，這表明當(dāng)需要更深入地探索解路徑時(shí)，NPR 優(yōu)勢(shì)日益凸顯；證明了 NPR 既能提高準(zhǔn)確率，而且在可以并行探索多種解策略時(shí)尤其有效。

案例解析

論文給了若干具體題目的并行解法示例，典型模式為：

1. ：并行產(chǎn)生若干獨(dú)立 plan（每個(gè) plan 一句戰(zhàn)術(shù)）；
2. ：每個(gè) plan 獨(dú)立并行展開(kāi)具體推理步驟；
3. ：整合與交叉驗(yàn)證，得出最終結(jié)論并給出簡(jiǎn)短答案（boxed answer）。

舉例：對(duì)于域函數(shù)或幾何題，某些 plan 會(huì)分別做不同的分解（代數(shù)、數(shù)值檢驗(yàn)、幾何角度關(guān)系），最后 多角度并行 + 匯總」能顯著減少因單一路徑假設(shè)錯(cuò)導(dǎo)致的花費(fèi)。

將各分支結(jié)果比對(duì)、剔除不一致項(xiàng)并輸出最終答案。這種「

結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展的框架，用于構(gòu)建原生并行推理器。該推理器無(wú)需依賴(lài)外部教師模型即可學(xué)習(xí)自適應(yīng)分解、多樣化的并行規(guī)劃和可靠的聚合。通過(guò)將自提煉的并行 SFT 與智能體并行 RL 相結(jié)合，NPR 能夠生成真正的并行推理策略，而非模擬或腳本化的策略。

在八個(gè)推理基準(zhǔn)測(cè)試上的實(shí)驗(yàn)表明，與 Multiverse 數(shù)據(jù)集、自回歸訓(xùn)練和直接強(qiáng)化學(xué)習(xí)相比，該方法均有顯著的改進(jìn)。論文中的分析進(jìn)一步證明了該方法能夠顯著加速推理、增強(qiáng)測(cè)試時(shí)的可擴(kuò)展性，并且不存在偽并行行為。

案例研究展示了該模型如何根據(jù)問(wèn)題難度調(diào)整其并行性，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化探索和穩(wěn)健的驗(yàn)證。這些結(jié)果表明，原生并行推理是實(shí)現(xiàn)更通用、可擴(kuò)展智能的一個(gè)有前景的方向。

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