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多 Agent 协作不需要说「人话」？LatentMAS 让 LLM 在隐空间里直接协作

原文：Latent Collaboration in Multi-Agent Systems

1. 前言

你有没有想过，当我们让多个 LLM agent 协作解题的时候，它们之间到底在交流什么？

答案是：文本。一个 agent 花了几千个 token 把推理过程写成自然语言，传给下一个 agent，下一个 agent 再花几千个 token 来理解和继续推理。整个过程就像两个程序员用微信聊天来 pair programming——能用，但效率低得离谱。

这个问题在当前的多 Agent 系统（MAS）里是普遍存在的。无论是 AutoGen、CAMEL 这类经典框架，还是 Chain-of-Agents 这种流水线设计，agent 之间的通信全部依赖自然语言。每个 agent 都要先把"想法"编码成离散 token，传给下一个 agent，再从 token 解码出"想法"——这个过程本身就在丢信息、加延迟。

但仔细想想，LLM 内部推理的时候，用的根本不是 token，而是 hidden states——一个高维连续向量空间里的表示。token 只是最后被 LM head 解码出来给人看的"翻译"。那一个自然的问题就来了：agent 之间能不能直接传 hidden states，跳过文本这个"中间商"？

来自 Princeton、UIUC 和 Stanford 的一个团队最近提出了 LatentMAS，一个完全在隐空间（latent space）里实现多 Agent 协作的框架——不训练、不微调、不生成中间文本，agent 之间直接通过 KV cache 传递"思维"。在 9 个 benchmark 上，准确率最高提升 14.6%，推理速度快 4-4.3×，token 消耗减少 70.8%-83.7%。

今天想和大家聊聊这个工作背后的设计思路，以及它为什么可能是多 Agent 系统的一个新范式。

2. 为什么文本通信是瓶颈？

先交代下背景。现在的 LLM-based MAS 主要有两种架构：

• Sequential（链式）：planner → critic → refiner → solver，前一个 agent 的输出喂给后一个
• Hierarchical（层级式）：多个领域专家 agent 各自推理，最后由一个 summarizer 汇总

不管哪种架构，agent 之间的通信介质都是文本。这带来三个问题：

第一，信息瓶颈。LLM 内部 hidden state 的维度通常是 2048-5120，一个向量就能编码丰富的语义信息。但编码成 token 之后，每个 token 只是一个离散符号，从 \(|V| \approx 150000\) 的词表里选一个——信息密度断崖式下降。论文里有个很直观的定理：要用 token 无损表达 \(m\) 步 latent thoughts，需要的文本长度至少是 \(\Omega(d_h \cdot m / \log|V|)\)，其中 \(d_h\) 是 hidden dimension。对于 Qwen3-8B（\(d_h = 3584\)），这意味着 latent thoughts 可以比文本高效 377 倍。

第二，延迟爆炸。每个 agent 都要做一轮完整的 auto-regressive 解码（一个 token 一个 token 地吐），然后下一个 agent 再把这堆 token 全部 prefill 进去。4 个 agent 的 sequential MAS，光文本生成和重新 prefill 就要跑 8 轮前向传播。

第三，错误放大。文本是有歧义的。planner 写的方案可能措辞不精确，critic 理解偏了，refiner 基于偏了的理解做修改……表面文字传递中每一环都可能引入误解，而 hidden states 是精确的数学向量，不存在"理解偏差"。

3. LatentMAS 的核心设计

LatentMAS 的完整流程如下图：

整个设计分两块：agent 内部的 latent thoughts 生成和agent 之间的 latent working memory 传递。

3.1 Latent Thoughts：让 Agent 在隐空间里"思考"

标准 LLM 推理的流程是：hidden state \(h_t\) → LM head 解码成 token \(x_{t+1}\) → token embedding \(e_{t+1}\) → 进入下一轮前向传播。

LatentMAS 把中间的"解码-重编码"去掉了：直接把最后一层的 hidden state \(h_t\) 当作下一步的输入 embedding，跳过 token 这个中介。

但这里有个工程上的坑：\(h_t\) 是最后一层输出，分布和输入 embedding \(e\) 差异很大。直接把 \(h_t\) 塞回浅层会出现 out-of-distribution 的问题。怎么解？

论文提出了一个很巧妙的 Input-Output Alignment：构造一个对齐矩阵 \(W_a\)，把 \(h_t\) 映射回输入 embedding 空间：

\[e = h \cdot W_a, \quad \text{其中} \quad W_a \approx W_{out}^{-1} \cdot W_{in} \]

这里 \(W_{out}\) 是 LM head，\(W_{in}\) 是 token embedding 层。\(W_a\) 只需要算一次，后面所有 latent step 复用。实际实现用的是 ridge regression 的闭式解来保证数值稳定性。

这个设计完全不需要训练——只用了模型自带的 \(W_{in}\) 和 \(W_{out}\)，是一个纯推理时的操作。

3.2 Latent Working Memory：用 KV Cache 做跨 Agent 通信

这是全文最有意思的部分。

agent \(A_1\) 完成 \(m\) 步 latent thoughts 生成后，它的所有 transformer 层都积累了一整套 KV cache。这些 KV cache 不仅包含了原始输入的信息，还包含了 \(m\) 步 latent reasoning 产生的新信息。论文把这整套 KV cache 定义为 agent \(A_1\) 的 latent working memory：

\[\mathcal{M}_{A_1} = \{(K^{(l)}_{A_1,cache}, V^{(l)}_{A_1,cache}) \mid l = 1, 2, \ldots, L\} \]

下一个 agent \(A_2\) 接手时，做一步简单操作：把 \(A_1\) 的 KV cache 拼接到自己对应层的 KV cache 前面。就这样，\(A_2\) 就"看到"了 \(A_1\) 所有的思考过程——包括它对原始 prompt 的处理和 \(m\) 步 latent reasoning 的结果。

论文还证明了一个关键定理：通过 KV cache 传递 working memory 和直接把前序 agent 的完整输出重新 prefill 一遍，产生的结果是完全等价的（信息无损）。

实现上，KV cache 的传递直接通过 HuggingFace Transformers 的 past_key_values 接口完成——不需要改任何模型代码。

3.3 只有最后一个 Agent 需要"说人话"

整个流水线里，前面所有 agent 都在隐空间里思考和传递，只有最后一个 agent 负责解码出文本答案。这大幅减少了 token 生成量和相应的解码开销。

4. 实验结果

4.1 全面压制文本 MAS

如下图，在 9 个 benchmark 上（包括数学推理、常识推理、代码生成），分别用 Qwen3-4B / 8B / 14B 三种规模测试：

几个关键数字：

• 准确率：比单模型平均提升 13.3-14.6%，比 TextMAS 平均提升 2.8-4.6%
• 推理速度：比 TextMAS 快 4×-4.3×（即使 TextMAS 已经用了 vLLM 加速）
• Token 用量：减少 70.8%-83.7%

下面这张效率对比图更直观：

左图是推理速度对比，右图是 token 用量对比。注意 TextMAS 的 baseline 已经用了 vLLM 做加速了，LatentMAS 还能在这个基础上快 2.6×-7×。

在推理密集型任务（AIME24/25、GPQA-Diamond）上，TextMAS 动辄需要 20K+ token 来完成完整的 text-based CoT，而 LatentMAS 只用不到 50 步 latent step 就能达到同等甚至更好的效果。

4.2 Latent Thoughts 是否真的在"思考"？

一个合理的怀疑是：latent step 生成的 hidden states 到底有没有语义？会不会只是无意义的噪声恰好歪打正着？

论文做了一个很有说服力的分析。如下图，把 LatentMAS 生成的 hidden embeddings（红色）和 TextMAS 生成的 token embeddings（蓝色）做 t-SNE 可视化：

两个关键观察：

1. LatentMAS 的 hidden embeddings 和 TextMAS 的 token embeddings 覆盖了几乎相同的 embedding 区域——说明 latent thoughts 编码了和正确文本回答相同的语义
2. LatentMAS 的分布更广——说明 latent thoughts 比离散 token 具有更高的多样性和表达能力

4.3 对齐矩阵 \(W_a\) 的作用

如下图，不做对齐的 hidden state \(h_t\)（橙色）和原始 input embedding \(e_t\)（蓝色）分布差异很大。做完 \(W_a\) 对齐后的 \(e_{t+1}\)（绿色）重新和 \(e_t\) 对齐了：

去掉 \(W_a\) 后，下游任务准确率下降 2.3%-5.3%。

4.4 最佳 Latent Step 深度

Latent step 并不是越多越好。论文在三个任务上做了 ablation，发现 40-80 步是最佳范围。超过这个范围，性能会平台期甚至下降——过多的 latent step 可能引入冗余信息。

5. 几点个人 Take

这篇工作最让我兴奋的地方不是具体的数字提升，而是它开辟了一个新的思路：多 Agent 之间的通信介质不必是人类可读的文本，可以是模型内部的连续表示。

几个值得关注的点：

1. 完全 training-free 这件事很 impressive。\(W_a\) 的构造只用了现有的 \(W_{in}\) 和 \(W_{out}\)，KV cache 传递用的是 HuggingFace 原生接口。没有额外参数、没有训练数据，直接即插即用。这大大降低了实际落地的门槛。

2. 但同构 agent 的假设是个限制。LatentMAS 要求所有 agent 使用相同架构的模型（same transformer layer shape），因为 KV cache 的 dimension 要对齐才能拼接。现实中，强大的 MAS 往往需要不同规模甚至不同架构的模型分工协作。论文也提到了可以用 adapter 做异构对齐，但这就引入了训练，breaking 了 training-free 的优势。

3. 和 KV cache 通信的结合值得深挖。这篇工作的 KV cache 传递策略非常朴素——全量拼接。随着 agent 数量增加和 latent step 加深，KV cache 会持续膨胀。能不能结合 KV cache 压缩（比如上一篇聊的 SemShareKV 的思路）做选择性传递？这可能是一个有意思的后续方向。

4. 对 latent reasoning 本身的理解还有空间。论文证明了 latent thoughts 的理论表达上界，但对于"模型到底在 latent step 里做了什么"这个问题，目前主要靠 t-SNE 可视化来间接验证。更深入的 mechanistic interpretability 分析会让这个 story 更完整。

总体来说，LatentMAS 把"在隐空间里做多 agent 协作"这个想法走通了，而且效果很好。从文本通信到 latent 通信，本质上是信息传递的效率升级。这个方向和我们做 MoE 推理优化的思路有异曲同工之处——核心都是减少不必要的计算和数据搬运，把算力花在真正重要的地方。

欢迎评论区交流，特别是做多 Agent 系统或 LLM 推理优化的同学，欢迎讨论哈哈。