Llama 2反馈机制升级详解｜RLHF何以成LLM训练关键？五款平替方案

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在ChatGPT引领的大型语言模型时代，一个绕不过去的话题就是「基于人类反馈的强化学习」（RLHF），不仅提升了语言模型的性能，也将人类社会的价值观注入到模型中，使得语言模型能够帮助用户解决问题，提高模型的安全性。

不过在ChatGPT之后，大量模型和相关技术不断发布，RLHF也早已更新换代，并衍生出来一些无需人工的微调方法，效果提升也很明显。

最近，Lightning AI创始人、AI研究大牛Sebastian Raschka发表了一篇博客，描述了Llama 2中的RLHF机制和原版相比做出了哪些改变和提升，还介绍了几个RLHF算法的替代方案。

经典LLM的训练流程

目前最先进的、基于Transformer的大型语言模型，例如ChatGPT或Llama 2，大体都包括三个训练步骤：预训练，有监督微调和对齐。

在预训练阶段，模型会吸收来自海量、无标注文本数据集的知识，然后使用有监督微调细化模型以更好地遵守特定指令；最后使用对齐技术使LLM可以更有用且更安全地响应用户提示。

1. 预训练（Pretraining）

预训练阶段通常需要包含数十亿到数万亿个token的庞大文本语料库，但训练目标只是一个简单的「下一个单词预测」（next word prediction）任务，模型需要根据提供的文本来预测后续单词或token。

自监督预训练可以让模型从大规模的数据中学习，只要能够在不侵犯版权，或是无视创造者偏好的情况下收集到数据，就可以不依赖人工标注完成训练，因为训练标签实际上就是文本的后续单词，已经暗含在数据集中了。

2. 有监督微调（Supervised finetuning）

第二阶段大体上来看也是「next token prediction」任务，不过需要人工标注的指令数据集，其中模型的输入是一个指令（根据任务的不同，也可能包含一段文本），输出为模型的预期回复内容。

数据形式类似于：

Instruction: “Write a  about a pelican.”

使用说明：“写一首关于鹈鹕的打油诗。“

Output: “There once was a pelican so fine…”

输出：“从前有一只鹈鹕很好…“

模型会将指令文本作为输入，并逐个token输出，训练目标是与预期输出相同。

虽然两个阶段都采用相似的训练目标，但有监督微调数据集通常比预训练数据小得多，指令数据集需要人类（或其他高质量的LLM）提供标注结果，所以无法大规模应用。

3. 对齐（Alignment）

第三阶段依然是微调，不过其主要目标在于将语言模型与人类的偏好、价值观进行对齐，也是RLHF机制发挥作用的地方。

RLHF主要包括三步：

Step 1. 预训练模型的有监督微调

先收集一个提示词集合，并要求标注人员写出高质量的回复，然后使用该数据集以监督的方式微调预训练的基础模型。

Step 2. 创建奖励模型

对于每个提示，要求微调后的LLM生成四到九个回复，再由标注人员根据个人偏好对所有回复进行排序。

虽然排序过程很耗时，但工作量还是比第一步的数据集构建少一些。

在处理排序结果时，可以设计一个奖励模型RM，将微调语言模型SFT的输出通过一个回归层（单个输出节点）转换为奖励分数，用于后续优化。

Step 3.PPO微调

使用邻近策略优化（PPO，proximal policy optimization ），根据奖励模型提供的奖励分数对SFT模型进一步优化。

PPO的具体技术细节可以参考InstructGPT或下面的论文列表。

1. Asynchronous Methods for Deep Reinforcement Learning (2016) ，https://arxiv.org/abs/1602.01783 

2. Proximal Policy Optimization Algorithms (2017)，https://arxiv.org/abs/1707.06347

3. Fine-Tuning Language Models from Human Preferences (2020)，https://arxiv.org/abs/1909.08593

4. Learning to Summarize from Human Feedback (2022) ，https://arxiv.org/abs/2009.01325

Llama 2中的RLHF

Meta AI在创建Llama-2-chat模型时也使用了RLHF技术，不过与ChatGPT相比还是有些细微区别。

简单来说，Llama-2-chat在第一步RLHF微调上使用相同的指令数据，但在第二步使用了两个奖励模型；通过多个阶段的不断进化，奖励模型也会根据Llama-2-chat模型出现的错误进行更新；并且增加了拒绝采样（rejection sampling）步骤。

Margin Loss

在标准InstructGPT中使用的RLHF PPO方法，研究人员需要收集同一个提示下的4-9个模型输出并进行排序，比如四个回复的排序结果为A<C< D<B，那么就可以得到六个对比结果：A < C，A < D ，A < B，C < D，C < B，D < B

Llama 2的数据集也采用类似的方式，不过标注人员每次只能看到两个（而非4-9个）回复并进行对比，但新增了一个边际（margin）标签，对比结果可以为「显著更好」（significantly better）和「好的不明显」（negligibly better）。

在排序训练时中，Llama 2相比InstructGPT增加了边际损失：

其中，rθ（x，y）是提示x和生成的回复y的标量分数输出; θ为模型权重; σ是将层输出转换为范围从0到1的分数的逻辑S形函数; yc是由标注人员选择的更优回复; yr是较差的回复。

m(r)可以调节两个回复之间的差值，如果对比结果为「显著更好」，则会增加梯度值，加快更新速度。

两种奖励模式

Llama 2中的两个奖励模型分别侧重「有用性」（helpfulness）和「安全性」（safety），用于模型优化的最终奖励函数会将两个分数进行线性组合。

拒绝采样（Rejection sampling）

Llama 2的作者使用了一个训练流水线，同时使用PPO和拒绝采样算法，迭代地产生多个RLHF模型（从RLHF-V1到RLHF-V5），模型在拒绝采样时会得到K个输出，在每次优化迭代时选择具有最高奖励的输出用于梯度更新，而PPO每次只基于单样本进行更新。

从实验结果来看，RLHF微调模型在无害性和有用性上都得到了改善，并且在最后阶段RLHF-v5使用PPO算法的性能最好。

RLHF的替代方案

可以看到，RLHF是一个相当复杂的过程，如此精心的设计是否值得？

虽然InstructGPT和Llama 2论文实验结果中证实了RLHF带来的性能提升，但也有相关工作在关注开发更有效的替代品：

1. 宪政AI：人工智能反馈的无害性

研究人员提出了一种基于人类提供的规则列表的自我训练机制，也使用了强化学习的方法。

论文标题：Constitutional AI: Harmlessness from AI Feedback

论文链接：https://arxiv.org/abs/2212.08073

发表日期：2022年12月

上图中的「红队」（Red Team）指的是测试目标系统的防御能力，即外部或内部专家模拟潜在对手的过程，通过模仿现实世界攻击者的战术、技术和程序来挑战、测试并最终改进系统。

2. 后见之明的智慧

研究人员提出了一种基于重新标注的有监督方法HIR用于微调，在12个BigBench任务上都优于RLHF算法。

论文标题：The Wisdom of Hindsight Makes Language Models Better Instruction Followers

论文链接：https://arxiv.org/abs/2302.05206

发表时间：2023年2月

HIR方法包括两个步骤，采样和训练：在采样时，提示和指令被馈送到LLM以收集回复，并基于对齐分数，在训练阶段适当的地方重新标注指令；然后使用新指令和原始提示用于微调LLM。

重新标注可以有效地将失败案例（LLM创建的输出与原始指令不匹配的情况）转化为有用的训练数据以用于监督学习。

3. 直接偏好优化

直接偏好优化（DPO）是使用PPO的RLHF的替代方案，实验结果显示，用于拟合RLHF中的奖励模型的交叉熵损失可以直接用于微调LLM，并且DPO更有效，在回复生成质量方面通常也优于RLHF/PPO

论文标题：Direct Preference Optimization: Your Language Model is Secretly a Reward Model

论文链接：https://arxiv.org/abs/2305.18290

发表日期：2023年5月

4. 强化自训练（ReST）

ReST是RLHF的替代方案，可以将LLM与人类偏好对齐，其使用采样方法来创建一个改进的数据集，在质量越来越高的子集上迭代训练，以完善其奖励函数。

论文标题：Reinforced Self-Training (ReST) for Language Modeling

论文链接：https://arxiv.org/abs/2308.08998

发表日期：2023年8月

根据作者的说法，ReST通过离线生成其训练数据集，与标准在线RLHF方法（PPO）相比，实现了更高的效率，但缺少与InstructGPT或Llama 2中使用的标准RLHF PPO方法的全面比较。

5. 基于人工智能反馈的强化学习

基于人工智能反馈的强化学习（RLAIF）的研究表明，RLHF中奖励模型训练的评级不一定必须由人类提供，也可以由LLM生成（如PaLM 2）。

论文标题：RLAIF：Scaling Reinforcement Learning from Human Feedback with AI Feedback

论文链接：https://arxiv.org/abs/2309.00267

发表日期：2023年9月

标注人员在一半的案例中更喜欢RLAIF模型，也就意味着两个模型的差距并不大，并且RLHF和RLAIF都大大优于纯粹通过监督指令微调训练的模型。

这项研究的结果是非常有用的，基本上意味着我们可以更容易获得RLHF的训练数据，不过RLAIF模型如何在定性研究中表现还有待观察，这项研究侧重于信息内容的安全性和真实性，只是对人类偏好研究的部分捕获。

但这些替代方案在实践中是否有价值还有待观察，因为目前还没有哪个模型可以不用RLHF的情况下，取得与Llama 2和Code Llama相近的性能。

参考资料：

https://magazine.sebastianraschka.com/p/llm-training-rlhf-and-its-alternatives

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