ChatGPT技术解构

Posted 2023-02-02 3A是个坏同志

ChatGPT的训练主要分为三个步骤，如图所示：

Step1：

使用有监督学习方式，基于GPT3.5微调训练一个初始模型；训练数据约为2w~3w量级（根据InstructGPT的训练数据量级估算，参照https://arxiv.org/pdf/2203.02155.pdf P33 Table6），由标注师分别扮演用户和聊天机器人，产生人工精标的多轮对话数据；值得注意的是，在人类扮演聊天机器人时，会得到机器生成的一些建议来帮助人类撰写自己的回复，以此提高撰写标注效率。

以上精标的训练数据虽然数据量不大，但质量和多样性非常高，且来自真实世界数据，这是很关键的一点。经过第一步，微调过的GPT3.5初步具备了理解人类Prompt所包含意图的能力，可以根据不同意图给出高质量的回答。

Step2：

收集相同上文下，根据回复质量进行排序的数据：即随机抽取一大批Prompt，使用第一阶段微调模型，产生多个不同回答，之后标注人员对结果排序，形成  组训练数据对，使用pairwise loss来训练Reward Model，从而可以预测出标注者更喜欢哪个输出。这种比较学习可以给出相对精确的reward值。

这一步使得ChatGPT从命令驱动转向了意图驱动。训练数据不需过多，维持在万量级即可，因为它不需要穷尽所有的问题，只是要告诉模型人类的喜好，强化模型意图驱动的能力。

Step3：

使用PPO来微调第一阶段的模型。核心思想是随机抽取新的Prompt，用第二阶段的Reward Model给产生的回答打分，这个分数即回答的整体reward；进而将此reward回传，由此产生的策略梯度可以更新PPO模型参数；整个过程迭代数次直到模型收敛。

以上三个步合称为文献中提到的 RLHF(Reinforcement Learning from Human Feedback) 技术。

相关技术

InstructGPT

ChatGPT是InstructGPT的兄弟模型(sibling model)，后者经过训练以遵循Prompt中的指令，提供详细的响应。InstructGPT是OpenAI在今年3月在Training language models to follow instructions with human feedback中提出的模型，整体流程和以上的ChatGPT流程基本相同，除了在数据收集和基座模型（GPT3 vs GPT 3.5），以及第三步初始化PPO模型时略有不同。

在InstuctGPT的工作中，与ChatGPT类似，给定Instruction，需要人工写回答。首先训练一个InstructGPT的早期版本，使用完全人工标注的数据，数据分为3类：Instruction+Answer，Instruction+多个examples和用户在使用API过程中提出的需求。从第二类数据的标注，推测ChatGPT可能用检索来提供多个In Context Learning的示例，供人工标注。剩余步骤与以上ChatGPT相同。

尤其需要重视但往往容易被忽视的，即OpenAI对于数据质量和数据泛化性的把控，这也是OpenAI的一大优势：

1）寻找高质量标注者：寻找在识别和回应敏感提示的能力筛选测试中，表现良好的labeler；

2）使用集外标注者保证泛化性：即用未经历以上1）步骤的更广大群体的标注者对训练数据进行验证，保证训练数据与更广泛群体的偏好一致。

在完成以上工作后，我们可以来看看InstuctGPT与GPT3的区别，通过下图可以明显看出：

GPT3的回答简短，回复过于通用毫无亮点；而InstructGPT“侃侃而谈”，解释自由主义为何愚蠢，显然模型学到了对于此类问题人们更想要的长篇大论的回答。

GPT3只是个语言模型，它被用来预测下一个单词，丝毫没有考虑用户想要的答案；当使用代表用户喜好的三类人工标注为微调数据后，1.3B参数的InstructGPT在多场景下的效果超越175B的GPT3： 

InstuctGPT的工作具有开创性，它挖掘了GPT3学到的海量数据中的知识和能力，但这些仅通过快速的In-context的方式较难获得；可以说，InstuctGPT找到了一种面向主观任务来解锁GPT3强大语言能力的方式。

PPO

PPO(Proximal Policy Optimization) 一种新型的Policy Gradient算法（Policy Gradient是一种强化学习算法，通过优化智能体的行为策略来解决在环境中实现目标的问题）。我们只需了解普通的Policy Gradient算法对步长十分敏感，但是又难以选择合适的步长，在训练过程中新旧策略的的变化差异如果过大则不利于学习。

而PPO提出了新的目标函数可以在多个训练步骤实现小批量的更新，解决了Policy Gradient算法中步长难以确定的问题。由于其实现简单、性能稳定、能同时处理离散/连续动作空间问题、利于大规模训练等优势，近年来收到广泛的关注，同时也成为OpenAI默认强化学习算法。

GPT与强化学习

再往前回溯，其实在2019年GPT2出世后，OpenAI就有尝试结合GPT-2和强化学习。在NIPS2020的Learning to Summarize with Human Feedback中，OpenAI对于摘要生成任务，利用了人类反馈对强化学习模型进行训练。可以从这篇工作的整体流程图中，看出三步走的核心思想： 收集反馈数据 -> 训练奖励模型 -> PPO强化学习。

 RLHF第一阶段，针对多个候选摘要，人工排序（这里就体现出OpenAI的钞能力，按标注时间计费，标注过快的会被开除）；第二阶段，训练排序模型（依旧使用GPT模型)；第三阶段，利用PPO算法学习Policy（在摘要任务上微调过的GPT）。

文中模型可以产生比10倍大模型容量更好的摘要效果。但文中也同样指出，模型的成功部分归功于增大了Reward Model的规模，而这需要很大量级的计算资源，训练6.7B的强化学习模型需要320 GPU-days的成本。

另一篇2020年初的工作，是OpenAI的Fine-Tuning GPT-2 from Human Preferences。同样首先利用预训练模型，训练Reward模型；进而使用PPO策略进行强化学习，整体步骤初见ChatGPT的雏形。

而RLHF的思想，是在更早的2017年6月的OpenAI Deep Reinforcement Learning from Human Preferences提出，核心思想是利用人类的反馈，判断最接近视频行为目标的片段，通过训练来找到最能解释人类判断的奖励函数，然后使用RL来学习如何实现这个目标。

可以说，ChatGPT是站在InstructGPT以及以上理论的肩膀上完成的一项出色的工作，它们将LLM (large language model) / PTM (pretrain language model) 与 RL (reinforcement learning) 出色结合，证明这个方向可行。

WebGPT和CICERO

WebGPT是2021年底OpenAI的工作，其核心思想是使用GPT3模型强大的生成能力，学习人类使用搜索引擎的一系列行为，通过训练奖励模型来预测人类的偏好，使WebGPT可以自己搜索网页来回答开放域的问题，而产生的答案尽可能满足人类的喜好。

Cicero是Meta AI上个月发布的可以以人类水平玩文字策略游戏的AI系统， 其同样可以与人类互动，可以使用战略推理和自然语言与人类在游戏玩法中进行互动和竞争。Cicero的核心是由一个对话引擎和一个战略推理引擎共同驱动的，而战略推理引擎集中使用了RL，对话引擎与GPT3类似。

应用难点

对于ChatGPT的规模，目前没有更多信息支撑，所以无法明确如此智能的ChatGPT是在何规模下达成的。 最早的175B的GPT-3代号是Davinci，其他大小的模型有不同的代号。然而自此之后的代号几乎是一片迷雾，不仅没有任何论文，官方的介绍性博客也没有。OpenAI称Davinci-text-002/003是GPT-3.5，而它们均为InstrucGPT类型的模型，ChatGPT是基于其中一个微调模型得到，固由此推测ChatGPT可能是千亿模型。

大家一般没有机会接触千亿模型（Bloom之前没有开源的千亿模型，GPT-3也是收费的），不了解现在千亿模型的能力边界，对全量微调这个级别的模型也无从估计。ChatGPT的推断成本是比较高的。根据GPT3.5(Davinci)的成本推测：

1k tokens≈700 words为0.02美元，则换算后，一篇2k字的文章，直接调用需要0.4人民币，若保守按照日活1w用户，人均10篇文章计算，则每日调用成本为：10000x10x0.4=40000元。

和以前的模型比较，以BERT和T5为代表的早期Transformer和现在的大模型已不是一个量级。事实上11月28日OpenAI上新了text-davinci-003几乎没有引起国内的任何讨论，如果ChatGPT（11.30发布）不是免费试用，或许也不会引起这么大的反响。

同一时期的工作还有Deepmind的Sparrow和Google的LaMDA，效果与ChatGPT应该不相上下。同样以上提到的WebGPT和Cicero也在国内没有太大的水花。这两年LLM发展已经到了这个层级，或许因为成本或者工程化难度的问题，某种层面上在国内被忽视了。而此次ChatGPT正好找到了好的“曝光点”，一炮而红。

从OpenAI的成功可以看出，优秀的数据是一种极大的优势——除去技术上的考量，OpenAI很少开源数据，显然他们在数据上也下了大功夫，训练语料质量和开源的C4或The Pile不能同日而语；对于我们目前核心使用的扩增模型，Bloom作为千亿模型有很多待挖掘的能力。Bloom的微调任务中缺乏生成式的对话和问答，某些表现不如ChatGPT也在预料之中（实际上在Bloom的测试中，唯一与InstructGPT有重合的任务，是Bloom表现更好）。但是对于很多任务来说，配合In-context Learning，这个差距会被进一步缩小。

所以，我们应该思考如何利用这些令人激动的最新成果，而其中关键是如何找到适合我们入口的方式。比如使用ChatGPT，按不同需求生成高质量小样本数据，克服现有数据难获得的瓶颈；进而利用现有Bloom（GPT3模型）进行数据扩增。