잠재 사고 사슬(Latent CoT)? 깊이 반복 트랜스포머를 해독하다

개요

언어모델은 풀이 과정을 글로 적는 Chain-of-Thought(CoT, 사고 사슬) 덕분에 수학을 잘 풀게 됐지만, 그 대가로 출력이 길어지고 느려진다. 그래서 “생각은 말 대신 내부 벡터에서 하게 하자”는 **잠재 추론(latent reasoning)**이 대안으로 떠올랐고, 그 대표가 같은 층 묶음을 여러 번 다시 돌려 계산 깊이를 늘리는 깊이 반복 트랜스포머(depth-recurrent Transformer) Huginn-3.5B다. Huginn은 반복 횟수를 늘리면 점수가 오르지만, 그것이 “답을 조금씩 다듬는 반복 정제”인지 “중간 결과를 먼저 만들고 그걸로 최종 답을 내는, 머릿속 CoT”인지는 아무도 확인하지 않았다. 이 논문의 착안은 그 차이를 측정 가능한 예측으로 바꾼 데 있다. 잠재 CoT가 정말 있다면 (2*3)+1 같은 문제에서 반복이 진행될 때 중간값 6이 먼저 떠오르고, 그다음에 최종값 7이 떠올라야 한다. 저자들은 반복을 펼쳐(unroll) 2+4r+2개의 층 출력 각각을 logit lens(중간 벡터를 곧바로 어휘 확률로 바꿔 보는 렌즈)와 coda lens(Huginn의 마지막 해독 블록 두 개를 렌즈로 빌려 쓰는 방식)로 읽고, 중간값·최종값 토큰의 순위가 반복마다 어떻게 내려오는지 추적했다. 결과는 예측과 반대였다. 두 토큰 모두 초기 반복에서 함께 빠르게 순위가 내려오고, 최종값이 처음부터 중간값보다 계속 순위가 높았다. “먼저 중간, 나중에 최종”이라는 시간적 분리는 보이지 않았다. 게다가 같은 은닉 상태를 어느 렌즈로 읽느냐, 4개 반복 블록 중 몇 번째(R1~R4)를 읽느냐에 따라 숫자가 보이기도 하고 "friendships" 같은 엉뚱한 단어가 나오기도 해서, 표준 트랜스포머에서 보던 매끄러운 정제와는 전혀 다른 들쭉날쭉한 패턴이 나왔다. 성능으로 봐도 명시적 CoT를 막은 채 반복을 4에서 256까지 늘리면 GSM8K 정확도는 3.11%에서 4.93%까지 오르다 멈췄고, 같은 모델에 CoT를 허용하면 24.87/38.13%였다.

Implication: “반복을 늘리면 성능이 오른다”는 사실만으로 루프 안에서 사람 같은 단계적 추론이 일어난다고 말할 수 없다. 적어도 Huginn·한 자리 산술·logit/coda lens라는 조건에서는 그런 흔적이 안 보였고, 렌즈 결과가 블록마다 뒤집히므로 순환 모델의 해석 도구는 층별로 따로 검증해야 한다.

📎 https://arxiv.org/abs/2507.02199

배경과 문제

무엇이 풀리지 않았나. CoT는 중간 단계를 자연어로 밖에 꺼내 놓아 해석은 쉽지만 장황하고 추론이 느려질 수 있다(author-stated, Section 1). 대안은 중간 단계를 언어로 꺼내지 않고 잠재 공간에서 추론하는 모델인데, 현재 아키텍처가 실제로 그렇게 동작하는지는 불분명하다(author-stated, Section 1).

학술적 계보 (원문이 직접 인용한 것).

  • 연속 잠재 공간 추론: 중간 은닉 상태를 재사용 층으로 넘겨 언어 없이 다단계 추론을 흉내 내는 접근으로 Hao et al. (2024, Coconut)을 든다(author-stated, Section 1). vault 노트: Training Large Language Models to Reason in a Continuous Latent Space.
  • Huginn-3.5B (Geiping et al., 2025): 추론 시 층을 재사용해 토큰당 계산 깊이를 늘리는 깊이 반복 트랜스포머. 반복을 늘리면 추론 과제 성능이 오르지만, 그 이득이 반복 정제(iterative refinement) 때문인지 잠재 공간의 구조화된 CoT 때문인지는 불분명하다고 저자들은 본다(author-stated, Section 1, Yang et al. 2024 인용).
  • Logit lens (nostalgebraist, 2021)와 어휘 공간 투영 (Geva et al., 2022; 2023): 표준 decoder-only 모델은 초기 층에서 거친 예측을 빨리 만들고 이후 층에서 최종 예측으로 매끄럽게 수렴한다는 관찰이 logit lens로 처음 보고됐다(author-stated, Section 3.2).
  • 암묵적 다중 홉 추론 (Yang et al., 2024): LLM이 잠재적으로 다중 홉 추론을 하는지에 대한 선행 질문(author-stated, Section 1 인용).

이 논문의 질문과 차이. “Huginn은 추론 중에 잠재 CoT의 징후를 보이는가?”(author-stated, Section 1). 새 모델을 만들지 않고, 명시적 추론을 억제한 조건에서 기존 모델의 은닉 상태를 펼쳐 읽는 분석 논문이다. 작성자가 보기에 이 논문은 Huginn 원 논문이 “반복 = 잠재 추론”으로 해석한 성능 곡선에 대해 내부 표상 수준의 반증 시도를 붙인 것이다(analyst-inference).

지표

지표무엇을 세나단위·범위방향분모·정규화측정 조건위치
토큰 순위(rank)렌즈로 얻은 마지막 위치 logit 에서 특정 토큰(최종 예측 토큰, 중간값 토큰, 최종값 토큰, 무작위 토큰 the)이 몇 등인지1 이상의 정수, 그래프는 로그 축(10^0~10^4)낮을수록 그 토큰을 강하게 예측질문들에 대한 평균. Figure 4는 ±1 relative std 음영Figure 2: 산술 첫 100문항, 펼친 블록 68개. Figure 4: 조건을 만족하는 67문항, 반복 1~16Section 3.2, 3.3
부호 있는 정수 접두사 비율top-5 해독 토큰 중 유효한 부호 있는 정수 접두사(예 "5", "-", "2")의 비율0~1산술 문제에서 높을수록 그 블록이 숫자 계산과 관련된 내용을 담는다고 해석100문항 평균반복 블록 R1R4 각각, 반복 216Section 3.2, Figure 3
GSM8K 정확도 (strict/flexible)초등 수학 문장제 정답률%높을수록 좋음GSM8K 문항 수. strict/flexible 두 채점 방식(정의는 본문에 없음)8-shot, 명시적 CoT 억제, 반복 4~256Section 3.4, Table 1
산술 정확도GPT-3 한 자리 복합 연산(one-digit composite) 2k문항 정답률비율높을수록 좋음2k문항반복 16Section 3.1 (0.19로 보고)

strict/flexible 채점의 정확한 정의는 원문에 보고되지 않았다(unknown).

방법과 벤치마크 구성

대상 모델 구조 (Section 2.1, Figure 1, 식 (1)). Huginn-3.5B는 Prelude 블록 2개(P1, P2), 반복 블록 4개(R1~R4), Coda 블록 2개(C1, C2)로 되어 있고 각 블록은 표준 causal self-attention 블록이다. 입력 임베딩은 Prelude를 지나 반복 블록 묶음을 r번 돌고 Coda에서 다음 토큰을 예측한다. 반복의 시작 상태는 정규분포에서 뽑은 무작위 벡터이고, 매 반복의 R1은 Prelude 출력 s2와 직전 상태를 함께 받는다(식 (1)의 3·5번째 줄). 이렇게 펼치면 블록이 2+4r+2개가 되고, 각 블록 출력이 추적 가능한 은닉 상태가 된다(author-stated).

해독 방법 두 가지 (Section 2.2).

  • Logit lens (식 (2)): . 은닉 상태를 RMS 정규화한 뒤 unembedding 행렬(벡터를 어휘 점수로 바꾸는 마지막 행렬)에 곱한다. Huginn이 unembedding 전에 정규화하는 구조를 그대로 따랐다.
  • Coda lens (식 (3)): . 원래 마지막 반복 블록 출력을 받도록 학습된 Coda 블록 두 개를 아무 블록 출력에나 붙여 해독한다. 트랜스포머 블록 두 개라 logit lens보다 표현력이 큰 해독기다.
  • 두 방법 모두 마지막 토큰 위치의 logit 만 본다(author-stated).

과제와 조건 (Section 3.1, Appendix A.2).

  • 주 데이터: GPT-3 논문의 합성 산술 테스트 중 one-digit composite(한 자리 수 세 개의 복합 연산, 예 “What is (9 + 8) * 2? Answer: 34”), 총 2k문항. Huginn의 정확도가 0.19밖에 안 될 정도로 이 과제가 어렵기 때문에 단순 과제를 골랐다고 말한다. 부정적 결과가 오답 때문이 아니도록 일부 분석은 정답 문항만 쓴다(author-stated).
  • 보조 데이터: GSM8K(8.5K 초등 수학 문장제).
  • 명시적 CoT 억제: 시스템 메시지 “You are a concise and helpful assistant. Always return only the final answer straightway.” + 답만 적힌 in-context 예시 4개(GSM8K는 8개). 별도 언급이 없으면 반복 16회, 즉 2+4×16+2=68 블록(author-stated).

세 가지 분석.

  1. 블록별 해독 일관성 (Section 3.2): 첫 100문항에서 한 번씩 forward하고, 68개 블록 각각에서 최종 예측 토큰의 평균 순위를 기록(Figure 2). 블록별 top-5 해독 토큰 중 숫자 접두사 비율(Figure 3)과 수동 예시 검사(Appendix A.3 Table 2~7).
  2. 서명 토큰 순위 추적 (Section 3.3): 2k문항 중 (1) 정답, (2) 최종값과 모든 중간값이 한 자리/한 토큰, (3) 최종값 ≠ 중간값인 67문항만 남긴다. 3.2의 블록 불일치 때문에 logit lens는 R3 출력, coda lens는 R4 출력만 쓴다(최종 예측과 가장 잘 맞고 해석 가능한 블록이라서). 잠재 CoT라면 “중간값 순위가 먼저 떨어지고, 최종값이 늦게 떨어진다”는 예측을 세우고 무작위 토큰 the를 기준선으로 둔다(author-stated).
  3. 반복 수 스케일링 (Section 3.4): GSM8K 8-shot(원 Huginn 평가와 맞춤), CoT 억제, 반복 4~256. 비교 대상은 같은 Huginn에 명시적 CoT를 허용하고 반복 64로 돌린 결과(author-stated).

실험 하드웨어, seed 수, 반복 실행 횟수는 보고되지 않았다. 코드는 공개되어 있다(https://github.com/wenquanlu/huginn-latent-cot, Abstract).

주요 결과

주장근거 위치관찰/수치조건·주의출처 라벨
해독 결과가 블록마다 크게 출렁이고 매끄럽게 수렴하지 않는다Section 3.2, Figure 2최종 예측 토큰 순위가 블록을 따라 큰 진폭으로 주기적으로 진동. logit lens는 R4에서 위로 치솟고(순위 나쁨), coda lens는 반대로 R4에서만 아래로 떨어짐첫 100문항, 1회 forward, 반복 16author-stated
숫자 정보가 어느 블록에서 보이는지는 렌즈에 따라 정반대Section 3.2, Figure 3logit lens: R1~R3 top-5 중 숫자 접두사 비율이 높고 R4는 거의 0. coda lens: R4는 거의 100%, R1·R2는 사실상 0같은 은닉 상태에 다른 렌즈를 적용한 결과author-stated
같은 상태라도 렌즈에 따라 숫자 대 무관 단어Section 3.2R4 + logit lens: {“inc”,“unity”,“friendships”,“igne”,“impulse”}, 같은 R4 + coda lens: {“6”,“5”,“1”,“7”,“2”}. R1 + coda lens: {“answer”,“answers”,…}, R1 + logit lens: {“5”,“3”,“1”,” answer”,“None”}수동 검사 예시. 추가 예시는 Appendix A.3author-stated
R4가 다른 이유에 대한 가설Section 3.2R4 출력은 다음 반복의 R1과 Coda C1 둘 다로 들어가는 이중 역할이라 다른 블록과 다른 표상을 가질 수 있다검증 실험 없이 제시한 가능성author-stated (가설)
잠재 CoT의 예측(중간값 먼저, 최종값 나중)이 관찰되지 않음Section 3.3, Figure 4두 토큰 모두 초기 반복에서 빠르게 순위 하락, 최종값 순위가 중간값보다 계속 낮음(더 강하게 예측)67문항, logit lens는 R3·coda lens는 R4만 봄. 다른 블록(Appendix A.1, Figure 5·6)에서도 잠재 CoT 신호 없음author-stated
반복 6 근처의 순위 역전Section 3.3대부분 예시에서 반복 약 6에서 최종·중간 토큰 순위가 뒤바뀜. 저자는 “중간값을 바탕으로 최종 결과를 재평가하는 것일 수 있다”고만 말하고 후속 연구로 남김미해석 현상author-stated
반복을 늘려도 이득이 작고 곧 정체Section 3.4, Table 1CoT 억제 시 반복 4→32에서 3.11→4.93(strict/flexible 동일), 이후 64: 4.70, 128: 4.93, 256: 4.62GSM8K 8-shotauthor-stated
명시적 CoT가 훨씬 우세Section 3.4, Table 1Huginn + CoT, 반복 64: 24.87/38.13CoT 쪽은 반복 64 한 조건만 보고author-stated
잠재 CoT를 완전히 배제한 것은 아님Section 4있다면 이 도구로 잡히지 않을 만큼 미묘하거나 분산되어 있을 수 있다. activation patching 같은 더 정교한 방법을 후속으로 제안저자 스스로의 한계 진술author-stated

결과의 연결. Section 3.2의 불일치는 뒤 분석의 전제를 바꾼다. 렌즈가 블록마다 다른 것을 보여 주므로 3.3은 “해석 가능한” 블록 하나씩(R3/logit, R4/coda)만 골라 순위를 추적했다. 그 선택된 블록에서 단계적 분리가 보이지 않았다는 것이 핵심 부정 결과다. 다만 작성자가 보기에 이 블록 선택 자체가 “최종 예측과 가장 잘 맞는 블록”을 고른 것이므로, 최종값이 일찍부터 앞선 것이 부분적으로 선택 기준의 결과일 가능성은 원문에서 따로 다뤄지지 않았다(analyst-inference). 3.4는 내부 분석과 별개로 행동 수준에서 “반복 깊이만으로는 명시적 CoT를 대체하지 못한다”는 보조 근거다. 다만 CoT 억제 프롬프트 자체가 성능을 크게 떨어뜨린 조건이라, 이 수치는 Huginn의 잠재 추론 상한이라기보다 “답만 바로 내라”는 조건에서의 성능으로 읽는 것이 안전하다(analyst-inference).

Take-home

한 줄: Huginn-3.5B의 반복 루프 안에서 “중간값 → 최종값” 순서의 잠재 CoT 흔적은 logit/coda lens로 찾지 못했고, 반복을 늘린 성능 이득도 명시적 CoT에 한참 못 미쳤다.

성립 범위: 모델 하나(Huginn-3.5B), 과제 둘(한 자리 복합 산술, GSM8K), 해독 도구 둘(logit lens, coda lens), 마지막 토큰 위치만, 명시적 CoT 억제 프롬프트 조건(author-stated, Section 2–3). 다른 루프 모델이나 다른 학습 방식으로 일반화된다는 근거는 원문에 없다(analyst-inference).

저자가 인정한 한계 (author-stated, Section 4): 결과가 잠재 CoT를 확정적으로 배제하지 않는다. 있다면 사용한 도구로는 못 잡을 만큼 미묘하거나 분산되어 있을 수 있다. activation patching 같은 방법이 후속 과제다. 반복 6 근처 순위 역전도 해석하지 않고 남겼다(Section 3.3).

작성자가 보는 우려 (analyst-inference):

  • 결론이 “증거 부재”이지 “부재의 증거”가 아니다. 저자들도 그렇게 썼지만, 발표에서 “루프 모델은 잠재 추론을 안 한다”로 일반화하면 과장이다.
  • 렌즈 자체가 블록마다 신뢰도가 다르다는 것이 이 논문의 첫 결과이므로, 같은 렌즈로 둘째 결과(잠재 CoT 없음)를 판정하는 데는 순환성이 있다. 저자는 블록을 골라 이를 완화했지만, 렌즈가 중간값을 표현하는 방향을 놓쳤을 가능성은 남는다.
  • 67문항, 한 자리 결과로 제한된 순위 분석이라 다단계 연산 일반으로 확장하기 어렵다.
  • 코드는 공개됐으나 seed·반복 실행 수는 보고되지 않았다. 순위 분석은 결정적 forward이지만 반복 초기 상태가 무작위 벡터(식 (1))이므로 초기값에 따른 변동이 얼마인지는 보고되지 않았다.

재현 정보: 코드 공개(Abstract의 GitHub 링크). 실험 seed·반복 실행 수·하드웨어는 보고되지 않았다.

본문 도표

Figure 1 — Huginn 펼친 구조와 두 렌즈

  • 무엇을 보여주는가: 입력 “What is (3 * 2) − 2?”가 Prelude(P1, P2)를 지나 N(0, σ²I) 초기 상태와 함께 반복 모듈(R1→R2→R3→R4, r번 순환)을 돌고 Coda(C1, C2)를 거쳐 “4”를 내는 구조. 각 블록 출력에서 점선이 두 렌즈로 이어진다.
  • 읽는 법: 위쪽 두 가지 경로가 렌즈다. Logit Lens는 RMSNorm → , Coda Lens는 RMSNorm → C1 → C2 → RMSNorm → . 아래 R4에서 R1로 돌아가는 화살표가 반복(r)이다.
  • 핵심 관찰: 모든 블록 출력이 두 렌즈로 해독될 수 있다는 실험 설계 자체를 그림으로 보여 준다. 수치 없음.
  • 의미와 주의: R4 출력이 다음 반복 R1과 Coda 양쪽으로 가는 배선이 그림에 드러나며, 이것이 Section 3.2의 R4 이중 역할 가설의 근거다(author-stated). Coda는 원래 R4 출력만 받도록 학습되었으므로 다른 블록에 coda lens를 붙이는 것은 분포 밖 입력이다(analyst-inference).
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Figure 2 — 블록별 최종 예측 토큰의 평균 순위

  • 무엇을 보여주는가: 펼친 블록을 따라 최종 예측 토큰 순위가 어떻게 변하는지. 왼쪽 logit lens(s1s68), 오른쪽 coda lens(s1s66).
  • 읽는 법: x축 블록 번호(0약 68), y축 순위(로그 축 10^010^4, 아래가 더 강한 예측). 100문항 평균. 처음 두 점은 Prelude.
  • 핵심 관찰: 두 패널 모두 큰 진폭의 주기적 톱니 모양. 왼쪽은 4블록마다(R4) 위로 치솟고 나머지는 낮다. 오른쪽은 반대로 R4에서만 아래로 떨어지고 나머지는 높다(author-stated, Section 3.2). 그래프 판독상 왼쪽 스파이크는 10^3~10^4 근처까지 오른다(analyst-inference, 그래프 판독). 두 패널 모두 마지막 블록 부근에서 순위가 10^0 근처로 내려온다(analyst-inference, 그래프 판독).
  • 의미와 주의: 표준 트랜스포머의 “초기 추측 → 매끄러운 정제” 패턴이 없다는 것이 저자 해석이다(author-stated). 저자는 매끄러운 정제가 관찰됐다면 잠재 CoT에 대한 강한 반증이 됐을 것이라고 말하지만, 반대로 이 불연속이 잠재 CoT를 지지하는 근거라고 주장하지는 않는다(author-stated, Section 3.2).
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Figure 3 — top-5 해독 토큰 중 숫자 접두사 비율

  • 무엇을 보여주는가: 반복 단계(216)마다 R1R4 블록 각각의 top-5 해독 토큰 중 유효한 부호 있는 정수 접두사 비율. 왼쪽 logit lens, 오른쪽 coda lens.
  • 읽는 법: x축 반복 단계, y축 비율(0~1). 선 색은 R1(파랑), R2(주황), R3(초록), R4(빨강). 100문항 평균.
  • 핵심 관찰: logit lens에서는 R1·R2·R3 비율이 높고 R4는 거의 0. coda lens에서는 R4가 거의 100%, R1·R2는 사실상 0(author-stated). 그래프 판독상 logit lens의 R3는 반복 6 부근에서 1.0 가까이 오른 뒤 0.8대에 머물고, coda lens의 R3는 0.2~0.6 사이에서 출렁인다(analyst-inference, 그래프 판독).
  • 의미와 주의: “어느 블록에 숫자 계산이 담겨 있는가”라는 질문의 답이 렌즈를 바꾸면 뒤집힌다. 그래서 저자들은 렌즈의 적용 가능성을 층마다 따로 평가해야 한다고 결론짓는다(author-stated). 숫자 접두사 비율은 “계산이 일어난다”의 대리 지표일 뿐 올바른 중간값인지는 보지 않는다(analyst-inference).
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Figure 4 — 중간값·최종값·무작위 토큰의 순위 궤적

  • 무엇을 보여주는가: 반복 단계(2~16)에 따른 중간값 토큰(파랑), 최종값 토큰(주황), 무작위 토큰 the(초록)의 순위. 왼쪽 logit lens at R3, 오른쪽 coda lens at R4.
  • 읽는 법: x축 반복 단계, y축 순위(로그 축, 아래가 강한 예측). 67문항(정답·한 자리·최종≠중간) 평균, 음영은 ±1 relative std.
  • 핵심 관찰: 두 패널 모두 중간값과 최종값이 초기 반복에서 함께 빠르게 떨어지고, 최종값이 중간값보다 계속 낮은 순위(더 강한 예측)를 유지한다. 중간값이 먼저 떨어지고 최종값이 늦게 떨어지는 단계 분리는 없다(author-stated). 대부분 예시에서 반복 약 6에서 두 토큰의 순위 역전이 보인다(author-stated). 무작위 토큰 the는 그래프 판독상 10^2~10^3대에 머문다(analyst-inference, 그래프 판독).
  • 의미와 주의: 이 그림이 “잠재 CoT 증거 부족”의 핵심 근거다. 단, R3·R4 한 블록씩만 그렸고 나머지 블록은 부록 Figure 5·6에 있다. 음영이 넓게 겹치는 구간이 있어 평균선만으로 순서를 읽을 때 주의가 필요하다(analyst-inference).
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Table 1 — 반복 수에 따른 GSM8K 정확도

  • 무엇을 보여주는가: Huginn에 명시적 CoT를 허용한 경우(반복 64)와 억제한 경우(반복 4~256)의 GSM8K 정확도(strict/flexible).
  • 읽는 법: 행은 모델 조건과 반복 수, 값은 strict/flexible 정확도(%).
  • 핵심 관찰: CoT 억제 시 4: 3.11, 8: 4.47, 16: 4.78, 32: 4.93, 64: 4.70, 128: 4.93, 256: 4.62(모두 strict = flexible). CoT 허용(반복 64): 24.87/38.13.
  • 의미와 주의: 캡션은 4→32에서 “단조 증가”라고 쓰고 본문은 이후 정체(plateau)라고 쓴다(author-stated). 32 이후는 4.70→4.93→4.62로 오르내려 단조가 아니다. 반복 수를 64배 늘려도 1.8%p 남짓의 차이라서, “반복 깊이만으로는 명시적 CoT에 못 미친다”는 결론을 지지한다(analyst-inference). CoT 조건은 반복 64 한 점뿐이라 CoT 쪽 반복 스케일링은 비교되지 않았다.
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Wiki 연결

BibTeX

@inproceedings{lu2025latentcot,
  title     = {Latent Chain-of-Thought? Decoding the Depth-Recurrent Transformer},
  author    = {Lu, Wenquan and Yang, Yuechuan and Lee, Kyle and Li, Yanshu and Liu, Enqi},
  booktitle = {First Workshop on the Application of LLM Explainability to Reasoning and Planning at COLM 2025},
  year      = {2025},
  eprint    = {2507.02199},
  archivePrefix = {arXiv}
}