淺談ChatGPT的技術(shù)架構(gòu)

3.1 GPT家族的演進(jìn)

說到ChatGPT，就不得不提到GPT家族。

ChatGPT之前有幾個知名的兄弟，包括GPT-1、GPT-2和GPT-3。這幾個兄弟一個比一個個頭大，ChatGPT與GPT-3更為相近。

ChatGPT與GPT 1-3的技術(shù)對比

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Transformer層，而到了GPT-3，則增加到96層。

1.2 人類反饋強化學(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，人類反饋強化學(xué)習(xí)）。這一訓(xùn)練范式增強了人類對模型輸出結(jié)果的調(diào)節(jié)，并且對結(jié)果進(jìn)行了更具理解性的排序。

在InstructGPT中，以下是“goodness of sentences”的評價標(biāo)準(zhǔn)。

1. 真實性：是虛假信息還是誤導(dǎo)性信息？
2. 無害性：它是否對人或環(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，評估式強化人工訓(xùn)練代理）這個框架。該框架將人類標(biāo)記者引入到Agents的學(xué)習(xí)循環(huán)中，可以通過人類向Agents提供獎勵反饋（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。特別是現(xiàn)實世界中，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，是如今強化學(xué)習(xí)任務(wù)待解決的重要問題之一。

而TAMER則可以將人類標(biāo)記者的知識，以獎勵信反饋的形式訓(xùn)練Agent，加快其快速收斂。TAMER不需要標(biāo)記者具有專業(yè)知識或編程技術(shù)，語料成本更低。通過TAMER+RL（強化學(xué)習(xí)），借助人類標(biāo)記者的反饋，能夠增強從馬爾可夫決策過程 (MDP) 獎勵進(jìn)行強化學(xué)習(xí) (RL) 的過程。

TAMER架構(gòu)在強化學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

具體實現(xiàn)上，人類標(biāo)記者扮演對話的用戶和人工智能助手，提供對話樣本，讓模型生成一些回復(fù)，然后標(biāo)記者會對回復(fù)選項打分排名，將更好的結(jié)果反饋回模型中，Agents同時從兩種反饋模式中學(xué)習(xí)——人類強化和馬爾可夫決策過程獎勵作為一個整合的系統(tǒng)，通過獎勵策略對模型進(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)練過程分為以下三個階段：

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，首先會在數(shù)據(jù)集中隨機抽取問題，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)來微調(diào) GPT-3.5模型（獲得SFT模型, Supervised Fine-Tuning）。

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

ChatGPT模型的訓(xùn)練過程

第二階段：訓(xùn)練獎勵模型（Reward Mode，RM）

這個階段的主要是通過人工標(biāo)注訓(xùn)練數(shù)據(jù)（約33K個數(shù)據(jù)），來訓(xùn)練回報模型。在數(shù)據(jù)集中隨機抽取問題，使用第一階段生成的模型，對于每個問題，生成多個不同的回答。人類標(biāo)注者對這些結(jié)果綜合考慮給出排名順序。這一過程類似于教練或老師輔導(dǎo)。

接下來，使用這個排序結(jié)果數(shù)據(jù)來訓(xùn)練獎勵模型。對多個排序結(jié)果，兩兩組合，形成多個訓(xùn)練數(shù)據(jù)對。RM模型接受一個輸入，給出評價回答質(zhì)量的分?jǐn)?shù)。這樣，對于一對訓(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）強化學(xué)習(xí)來優(yōu)化策略。

PPO的核心思路在于將Policy Gradient中On-policy的訓(xùn)練過程轉(zhuǎn)化為Off-policy，即將在線學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為離線學(xué)習(xí)，這個轉(zhuǎn)化過程被稱之為Importance Sampling。這一階段利用第二階段訓(xùn)練好的獎勵模型，靠獎勵打分來更新預(yù)訓(xùn)練模型參數(shù)。在數(shù)據(jù)集中隨機抽取問題，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)。把回報分?jǐn)?shù)依次傳遞，由此產(chǎn)生策略梯度，通過強化學(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，通過迭代，會訓(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)出出色的上下文對話能力甚至編程能力，完成了大眾對人機對話機器人（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)大量語料訓(xùn)練的領(lǐng)域缺乏“人類常識”和引申能力，甚至?xí)槐菊?jīng)的“胡說八道”。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，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串計算過程，但最后答案卻是錯誤的。

2）ChatGPT無法處理復(fù)雜冗長或者特別專業(yè)的語言結(jié)構(gòu)。對于來自金融、自然科學(xué)或醫(yī)學(xué)等非常專業(yè)領(lǐng)域的問題，如果沒有進(jìn)行足夠的語料“喂食”，ChatGPT可能無法生成適當(dāng)?shù)幕卮稹?/p>

3）ChatGPT需要非常大量的算力（芯片）來支持其訓(xùn)練和部署。拋開需要大量語料數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型不說，在目前，ChatGPT在應(yīng)用時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法承受的，即便數(shù)十億個參數(shù)的模型也需要驚人數(shù)量的計算資源才能運行和訓(xùn)練。，如果面向真實搜索引擎的數(shù)以億記的用戶請求，如采取目前通行的免費策略，任何企業(yè)都難以承受這一成本。因此對于普通大眾來說，還需等待更輕量型的模型或更高性價比的算力平臺。

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

5）ChatGPT仍然是黑盒模型。目前還未能對ChatGPT的內(nèi)在算法邏輯進(jìn)行分解，因此并不能保證ChatGPT不會產(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)計代碼）的對話?？梢钥闯鯟hatGPT水平已經(jīng)超出一些verilog初學(xué)者了。

3、ChatGPT的未來改進(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)辦了一個人工智能公司Anthropic。Anthropic 的創(chuàng)始團(tuán)隊成員，大多為 OpenAI 的早期及核心員工，參與過OpenAI的GPT-3、多模態(tài)神經(jīng)元、人類偏好的強化學(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)練過程

Claude 和 ChatGPT 都依賴于強化學(xué)習(xí)(RL)來訓(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的排序過程使用模型（而非人類）對所有生成的輸出結(jié)果提供一個初始排序結(jié)果。

CAI用人工智能反饋來代替人類對表達(dá)無害性的偏好，即RLAIF，人工智能根據(jù)一套constitution原則來評價回復(fù)內(nèi)容。

3.2 補足數(shù)理短板

ChatGPT雖然對話能力強，但是在數(shù)理計算對話中容易出現(xiàn)一本正經(jīng)胡說八道的情況。

計算機學(xué)家Stephen Wolfram 為這一問題提出了解決方案。Stephen Wolfram 創(chuàng)造了的 Wolfram 語言和計算知識搜索引擎 Wolfram | Alpha，其后臺通過Mathematica實現(xiàn)。

ChatGPT與Wolfram | Alpha結(jié)合處理梳理問題

在這一結(jié)合體系中，ChatGPT 可以像人類使用 Wolfram|Alpha 一樣，與 Wolfram|Alpha “對話”，Wolfram|Alpha 則會用其符號翻譯能力將從 ChatGPT 獲得的自然語言表達(dá)“翻譯”為對應(yīng)的符號化計算語言。在過去，學(xué)術(shù)界在 ChatGPT 使用的這類 “統(tǒng)計方法” 和 Wolfram|Alpha 的 “符號方法” 上一直存在路線分歧。但如今 ChatGPT 和 Wolfram|Alpha 的互補，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)行計算。

3.3 ChatGPT的小型化

雖然ChatGPT很強大，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），即降低單個權(quán)重的數(shù)值表示的精度。比如Tansformer從FP32降到INT8對其精度影響不大。

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。這種方法在視覺和較小規(guī)模的語言模型中有效。

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，而無需任何重新訓(xùn)練。對 GPT-175B 模型，只需要使用單個 GPU 在幾個小時內(nèi)就能實現(xiàn)這種剪枝。