淺談ChatGPT的技術(shù)架構(gòu)

3.1 GPT家族的演進(jìn)

說(shuō)到ChatGPT，就不得不提到GPT家族。

ChatGPT之前有幾個(gè)知名的兄弟，包括GPT-1、GPT-2和GPT-3。這幾個(gè)兄弟一個(gè)比一個(gè)個(gè)頭大，ChatGPT與GPT-3更為相近。

ChatGPT與GPT 1-3的技術(shù)對(duì)比

GPT家族與BERT模型都是知名的NLP模型，都基于Transformer技術(shù)。GPT-1只有12個(gè)Transformer層，而到了GPT-3，則增加到96層。

1.2 人類反饋強(qiáng)化學(xué)習(xí)

InstructGPT/GPT3.5（ChatGPT的前身）與GPT-3的主要區(qū)別在于，新加入了被稱為RLHF（Reinforcement Learning from Human Feedback，人類反饋強(qiáng)化學(xué)習(xí)）。這一訓(xùn)練范式增強(qiáng)了人類對(duì)模型輸出結(jié)果的調(diào)節(jié)，并且對(duì)結(jié)果進(jìn)行了更具理解性的排序。

在InstructGPT中，以下是“goodness of sentences”的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1. 真實(shí)性：是虛假信息還是誤導(dǎo)性信息？
2. 無(wú)害性：它是否對(duì)人或環(huán)境造成身體或精神上的傷害？
3. 有用性：它是否解決了用戶的任務(wù)？

1.3 TAMER框架

這里不得不提到TAMER（Training an Agent Manually via Evaluative Reinforcement，評(píng)估式強(qiáng)化人工訓(xùn)練代理）這個(gè)框架。該框架將人類標(biāo)記者引入到Agents的學(xué)習(xí)循環(huán)中，可以通過(guò)人類向Agents提供獎(jiǎng)勵(lì)反饋（即指導(dǎo)Agents進(jìn)行訓(xùn)練），從而快速達(dá)到訓(xùn)練任務(wù)目標(biāo)。

TAMER框架論文

引入人類標(biāo)記者的主要目的是加快訓(xùn)練速度。盡管強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)在很多領(lǐng)域有突出表現(xiàn)，但是仍然存在著許多不足，例如訓(xùn)練收斂速度慢，訓(xùn)練成本高等特點(diǎn)。特別是現(xiàn)實(shí)世界中，許多任務(wù)的探索成本或數(shù)據(jù)獲取成本很高。如何加快訓(xùn)練效率，是如今強(qiáng)化學(xué)習(xí)任務(wù)待解決的重要問(wèn)題之一。

而TAMER則可以將人類標(biāo)記者的知識(shí)，以獎(jiǎng)勵(lì)信反饋的形式訓(xùn)練Agent，加快其快速收斂。TAMER不需要標(biāo)記者具有專業(yè)知識(shí)或編程技術(shù)，語(yǔ)料成本更低。通過(guò)TAMER+RL（強(qiáng)化學(xué)習(xí)），借助人類標(biāo)記者的反饋，能夠增強(qiáng)從馬爾可夫決策過(guò)程 (MDP) 獎(jiǎng)勵(lì)進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí) (RL) 的過(guò)程。

TAMER架構(gòu)在強(qiáng)化學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

具體實(shí)現(xiàn)上，人類標(biāo)記者扮演對(duì)話的用戶和人工智能助手，提供對(duì)話樣本，讓模型生成一些回復(fù)，然后標(biāo)記者會(huì)對(duì)回復(fù)選項(xiàng)打分排名，將更好的結(jié)果反饋回模型中，Agents同時(shí)從兩種反饋模式中學(xué)習(xí)——人類強(qiáng)化和馬爾可夫決策過(guò)程獎(jiǎng)勵(lì)作為一個(gè)整合的系統(tǒng)，通過(guò)獎(jiǎng)勵(lì)策略對(duì)模型進(jìn)行微調(diào)并持續(xù)迭代。

在此基礎(chǔ)上，ChatGPT 可以比 GPT-3 更好的理解和完成人類語(yǔ)言或指令，模仿人類，提供連貫的有邏輯的文本信息的能力。

1.4 ChatGPT的訓(xùn)練

ChatGPT的訓(xùn)練過(guò)程分為以下三個(gè)階段：

第一階段：訓(xùn)練監(jiān)督策略模型

GPT 3.5本身很難理解人類不同類型指令中蘊(yùn)含的不同意圖，也很難判斷生成內(nèi)容是否是高質(zhì)量的結(jié)果。為了讓GPT 3.5初步具備理解指令的意圖，首先會(huì)在數(shù)據(jù)集中隨機(jī)抽取問(wèn)題，由人類標(biāo)注人員，給出高質(zhì)量答案，然后用這些人工標(biāo)注好的數(shù)據(jù)來(lái)微調(diào) GPT-3.5模型（獲得SFT模型, Supervised Fine-Tuning）。

此時(shí)的SFT模型在遵循指令/對(duì)話方面已經(jīng)優(yōu)于 GPT-3，但不一定符合人類偏好。

ChatGPT模型的訓(xùn)練過(guò)程

第二階段：訓(xùn)練獎(jiǎng)勵(lì)模型（Reward Mode，RM）

這個(gè)階段的主要是通過(guò)人工標(biāo)注訓(xùn)練數(shù)據(jù)（約33K個(gè)數(shù)據(jù)），來(lái)訓(xùn)練回報(bào)模型。在數(shù)據(jù)集中隨機(jī)抽取問(wèn)題，使用第一階段生成的模型，對(duì)于每個(gè)問(wèn)題，生成多個(gè)不同的回答。人類標(biāo)注者對(duì)這些結(jié)果綜合考慮給出排名順序。這一過(guò)程類似于教練或老師輔導(dǎo)。

接下來(lái)，使用這個(gè)排序結(jié)果數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練獎(jiǎng)勵(lì)模型。對(duì)多個(gè)排序結(jié)果，兩兩組合，形成多個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)。RM模型接受一個(gè)輸入，給出評(píng)價(jià)回答質(zhì)量的分?jǐn)?shù)。這樣，對(duì)于一對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)參數(shù)使得高質(zhì)量回答的打分比低質(zhì)量的打分要高。

第三階段：采用PPO（Proximal Policy Optimization，近端策略優(yōu)化）強(qiáng)化學(xué)習(xí)來(lái)優(yōu)化策略。

PPO的核心思路在于將Policy Gradient中On-policy的訓(xùn)練過(guò)程轉(zhuǎn)化為Off-policy，即將在線學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為離線學(xué)習(xí)，這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程被稱之為Importance Sampling。這一階段利用第二階段訓(xùn)練好的獎(jiǎng)勵(lì)模型，靠獎(jiǎng)勵(lì)打分來(lái)更新預(yù)訓(xùn)練模型參數(shù)。在數(shù)據(jù)集中隨機(jī)抽取問(wèn)題，使用PPO模型生成回答，并用上一階段訓(xùn)練好的RM模型給出質(zhì)量分?jǐn)?shù)。把回報(bào)分?jǐn)?shù)依次傳遞，由此產(chǎn)生策略梯度，通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方式以更新PPO模型參數(shù)。

如果我們不斷重復(fù)第二和第三階段，通過(guò)迭代，會(huì)訓(xùn)練出更高質(zhì)量的ChatGPT模型。

2、ChatGPT的局限

只要用戶輸入問(wèn)題，ChatGPT 就能給予回答，是否意味著我們不用再拿關(guān)鍵詞去喂 Google或百度，就能立即獲得想要的答案呢？

盡管ChatGPT表現(xiàn)出出色的上下文對(duì)話能力甚至編程能力，完成了大眾對(duì)人機(jī)對(duì)話機(jī)器人（ChatBot）從“人工智障”到“有趣”的印象改觀，我們也要看到，ChatGPT技術(shù)仍然有一些局限性，還在不斷的進(jìn)步。

1）ChatGPT在其未經(jīng)大量語(yǔ)料訓(xùn)練的領(lǐng)域缺乏“人類常識(shí)”和引申能力，甚至?xí)槐菊?jīng)的“胡說(shuō)八道”。ChatGPT在很多領(lǐng)域可以“創(chuàng)造答案”，但當(dāng)用戶尋求正確答案時(shí)，ChatGPT也有可能給出有誤導(dǎo)的回答。例如讓ChatGPT做一道小學(xué)應(yīng)用題，盡管它可以寫出一長(zhǎng)串計(jì)算過(guò)程，但最后答案卻是錯(cuò)誤的。

2）ChatGPT無(wú)法處理復(fù)雜冗長(zhǎng)或者特別專業(yè)的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)。對(duì)于來(lái)自金融、自然科學(xué)或醫(yī)學(xué)等非常專業(yè)領(lǐng)域的問(wèn)題，如果沒(méi)有進(jìn)行足夠的語(yǔ)料“喂食”，ChatGPT可能無(wú)法生成適當(dāng)?shù)幕卮稹?/p>

3）ChatGPT需要非常大量的算力（芯片）來(lái)支持其訓(xùn)練和部署。拋開(kāi)需要大量語(yǔ)料數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型不說(shuō)，在目前，ChatGPT在應(yīng)用時(shí)仍然需要大算力的服務(wù)器支持，而這些服務(wù)器的成本是普通用戶無(wú)法承受的，即便數(shù)十億個(gè)參數(shù)的模型也需要驚人數(shù)量的計(jì)算資源才能運(yùn)行和訓(xùn)練。，如果面向真實(shí)搜索引擎的數(shù)以億記的用戶請(qǐng)求，如采取目前通行的免費(fèi)策略，任何企業(yè)都難以承受這一成本。因此對(duì)于普通大眾來(lái)說(shuō)，還需等待更輕量型的模型或更高性價(jià)比的算力平臺(tái)。

4）ChatGPT還沒(méi)法在線的把新知識(shí)納入其中，而出現(xiàn)一些新知識(shí)就去重新預(yù)訓(xùn)練GPT模型也是不現(xiàn)實(shí)的，無(wú)論是訓(xùn)練時(shí)間或訓(xùn)練成本，都是普通訓(xùn)練者難以接受的。如果對(duì)于新知識(shí)采取在線訓(xùn)練的模式，看上去可行且語(yǔ)料成本相對(duì)較低，但是很容易由于新數(shù)據(jù)的引入而導(dǎo)致對(duì)原有知識(shí)的災(zāi)難性遺忘的問(wèn)題。

5）ChatGPT仍然是黑盒模型。目前還未能對(duì)ChatGPT的內(nèi)在算法邏輯進(jìn)行分解，因此并不能保證ChatGPT不會(huì)產(chǎn)生攻擊甚至傷害用戶的表述。

當(dāng)然，瑕不掩瑜，有工程師貼出了要求ChatGPT寫verilog代碼（芯片設(shè)計(jì)代碼）的對(duì)話。可以看出ChatGPT水平已經(jīng)超出一些verilog初學(xué)者了。

3、ChatGPT的未來(lái)改進(jìn)方向

3.1 減少人類反饋的RLAIF

2020年底，OpenAI前研究副總裁Dario Amodei帶著10名員工創(chuàng)辦了一個(gè)人工智能公司Anthropic。Anthropic 的創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)成員，大多為 OpenAI 的早期及核心員工，參與過(guò)OpenAI的GPT-3、多模態(tài)神經(jīng)元、人類偏好的強(qiáng)化學(xué)習(xí)等。

2022年12月，Anthropic再次發(fā)表論文《Constitutional AI: Harmlessness from AI Feedback》介紹人工智能模型Claude。（arxiv.org/pdf/2212.0807）

CAI模型訓(xùn)練過(guò)程

Claude 和 ChatGPT 都依賴于強(qiáng)化學(xué)習(xí)(RL)來(lái)訓(xùn)練偏好（preference）模型。CAI（Constitutional AI）也是建立在RLHF的基礎(chǔ)之上，不同之處在于，CAI的排序過(guò)程使用模型（而非人類）對(duì)所有生成的輸出結(jié)果提供一個(gè)初始排序結(jié)果。

CAI用人工智能反饋來(lái)代替人類對(duì)表達(dá)無(wú)害性的偏好，即RLAIF，人工智能根據(jù)一套constitution原則來(lái)評(píng)價(jià)回復(fù)內(nèi)容。

3.2 補(bǔ)足數(shù)理短板

ChatGPT雖然對(duì)話能力強(qiáng)，但是在數(shù)理計(jì)算對(duì)話中容易出現(xiàn)一本正經(jīng)胡說(shuō)八道的情況。

計(jì)算機(jī)學(xué)家Stephen Wolfram 為這一問(wèn)題提出了解決方案。Stephen Wolfram 創(chuàng)造了的 Wolfram 語(yǔ)言和計(jì)算知識(shí)搜索引擎 Wolfram | Alpha，其后臺(tái)通過(guò)Mathematica實(shí)現(xiàn)。

ChatGPT與Wolfram | Alpha結(jié)合處理梳理問(wèn)題

在這一結(jié)合體系中，ChatGPT 可以像人類使用 Wolfram|Alpha 一樣，與 Wolfram|Alpha “對(duì)話”，Wolfram|Alpha 則會(huì)用其符號(hào)翻譯能力將從 ChatGPT 獲得的自然語(yǔ)言表達(dá)“翻譯”為對(duì)應(yīng)的符號(hào)化計(jì)算語(yǔ)言。在過(guò)去，學(xué)術(shù)界在 ChatGPT 使用的這類 “統(tǒng)計(jì)方法” 和 Wolfram|Alpha 的 “符號(hào)方法” 上一直存在路線分歧。但如今 ChatGPT 和 Wolfram|Alpha 的互補(bǔ)，給NLP領(lǐng)域提供了更上一層樓的可能。

ChatGPT 不必生成這樣的代碼，只需生成常規(guī)自然語(yǔ)言，然后使用 Wolfram|Alpha 翻譯成精確的 Wolfram Language，再由底層的Mathematica進(jìn)行計(jì)算。

3.3 ChatGPT的小型化

雖然ChatGPT很強(qiáng)大，但其模型大小和使用成本也讓很多人望而卻步。

有三類模型壓縮（model compression）可以降低模型的大小和成本。

第一種方法是量化（quantization），即降低單個(gè)權(quán)重的數(shù)值表示的精度。比如Tansformer從FP32降到INT8對(duì)其精度影響不大。

第二種模型壓縮方法是剪枝（pruning），即刪除網(wǎng)絡(luò)元素，包括從單個(gè)權(quán)重（非結(jié)構(gòu)化剪枝）到更高粒度的組件如權(quán)重矩陣的通道。這種方法在視覺(jué)和較小規(guī)模的語(yǔ)言模型中有效。

第三種模型壓縮方法是稀疏化。例如奧地利科學(xué)技術(shù)研究所 (ISTA)提出的SparseGPT （arxiv.org/pdf/2301.0077）可以將 GPT 系列模型單次剪枝到 50% 的稀疏性，而無(wú)需任何重新訓(xùn)練。對(duì) GPT-175B 模型，只需要使用單個(gè) GPU 在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)這種剪枝。