大语言模型经典论文一次读到爽！

知乎：Ostrich

职位：阿里巴巴算法工程师

原文：https://zhuanlan.zhihu.com/p/620360553

要说2023刷屏最多的词条，ChatGPT可以说是无出其右。到最近的GPT-4，技术的革新俨然已呈现破圈之势，从学术圈到工业界再到资本圈，同时也真切逐步影响到普通人的日常生活与工作。

坦白来讲，对于大语言模型生成相关的工作，个人长期以来持保守态度，认为这个方向更多的是一种深度学习的理想追求。现在看小丑竟是我自己，也许优秀的工作正是需要对理想状态的持续追求，才叫优秀的工作。

言归正传，本系列打算跟风讨论一下关于ChatGPT相关技术，主要内容分为三部分，也会分为三篇文章：

1、经典论文精读【this】：通过本文阅读可以了解ChatGPT相关经典工作的大致思路以及各个时期的关键结论；

2、开源实现技术【soon】：总结最近几个月开源工作者们follow ChatGPT的主要方向和方法；

3、自然语言生成任务的前世今生和未来【later】：大语言模型之外，谈谈自然语言生成的“传统”研究方向与未来畅想。

因为相关技术发展迅速，三部分内容也会定期更新。本文主要为第一部分经典论文学习，而相关的工作众多（如图），一一阅读并不现实，因此本文选择持续性最高的OpenAI系列和Google系列，以及近期影响力比较大的LLaMA，最后是中文适配比较好的GLM和ChatGLM。

10B以上大模型（黄色为开源）

此外，本文阅读需要一定的NLP基础概念，比如知道什么是BERT和Transformer、什么是Encoder-Decoder架构、什么是预训练和微调，什么是语言模型等。

OpenAI 系列

本节目标是通过OpenAI系列论文阅读细窥ChatGPT的主要原理，其先进的工作脉络可以概括为下图。从依赖往上追溯需要了解Codex 和 instructGPT、再往上是GPT-3、继而也需要了解GPT-2和GPT-1。（GPT-4暂时简单地看作是Plus版本的GPT-3.5，而且增加了多模态数据的处理能力，等更多的细节公开后再作讨论）

GPT-1

论文链接：《Improving Language Understanding by Generative Pre-Training》

动机

任务目标和BERT一致（但在BERT之前），希望通过大规模无标注数据进行预训练，下游任务微调的方式解决经典NLP任务，缓解有监督任务数据收集成本高的问题。GPT-1虽然不是第一个使用预训练-微调架构的工作，但也是使用Transformer-Decoder做相关任务的很早期工作了。

方案概述

模型结构：Transformer的Decoder部分
训练方法：自回归的生成方式进行语言模型预训练，判别式的结构进行下游任务微调。

一些细节

预训练：
- Loss：经典的语言模型训练目标，将无标注的样本库表示为token 序列集合 U = {u_1, ...., u_n}，最大化下面的似然估计。即通过一段话的前面的token，预测下一个token，其中k为上下文窗口。

- 模型：使用多层Transformer decoder建模P，简化的公式表达如下。W_e为token embedding矩阵，W_p为位置向量矩阵，通过多层transformer block，最后每个token通过transformer block成为编码后的向量h_n，最后经过一个线性层+softmax，即为下一个token的预测分布。

- 数据：早期数据并没有非常夸张，GPT-1的主要数据有两个：
  - BooksCorpus dataset：包括7000多本未发表的书籍；
  - 1B Word Benchmark（可选）。
微调：
- 模型改动：通过增加特殊token作为输入的开始[Start]和结束[Extract]等，以结束[Extract]的隐层输出接入全连接层，并进行下游的分类和其他变种任务。如图所示：

- loss：

- 小细节：微调过程中，在下游任务目标基础上，加入预训练目标，效果更好。

结果与讨论

主要验证方法：文章主要是通过下游任务的效果进行策略的有效性验证，通过一些经典任务数据集。结论来看，在不少数据集上都还有着不错的效果，以分类为主的数据集为例，如图所示。可以看到，这时的对比项还没有BERT的踪影。

GPT-2

论文链接：《Language Models are Unsupervised Multitask Learners》

动机

GPT-1之后不久，BERT出现，刷榜各种任务。GPT-1尝试增加模型大小，但在预训练+微调的训练框架下，仍打不过同参数大小的BERT；但研究还得继续，尝试换个打法，以Zero-Shot作为卖点，效果不错。

方案概述

GPT-2实现Zero-Shot的方法在现在看来比较简单：将所有的NLP任务统一看作是p(output|input)的建模，而如果统使用一个足够容量的模型实现，还要告诉模型需要完成什么任务，这时建模目标可以表达为p(output|input, task)。

对于统一大模型的选择，网络结构与GPT-1相同，使用方式也很自然：task和input均使用自然语言的方式作为输入交给GPT，模型继续一步步地预测下一个最大可能的token，直到结束。如翻译任务：模型输入“翻译中文到英文，原文‘我爱深度学习’”，模型输出“I love deep learning.”。又如阅读理解任务，模型输入“回答问题，内容‘xxx’，问题‘xxx？’”，模型输出问题的答案。

没错，就是早期的Prompting方法（其实也不是最早的）。这么做的依据则是考虑到训练数据集里有大量的Prompt结构的语料，可以使模型学到遇到类似的提示语后需要生成什么。

一些细节

训练数据：为了支持多任务的Zero-Shot，需要模型尽可能看更多，尽可能丰富的数据，数据收集的目标也是如此。要点如下：
- 开源Common Crawl，全网网页数据，数据集量大，且足够丰富，但存在质量问题，故而没有直接使用；
- 自建了WebText数据集，网页数据，主打一个干净高质量：只保留被人过滤过的网页，但人过滤成本很高，这里的方法是只要Reddit平台（类似国内的贴吧，社交分享平台）中被用户分享的站外链接，同时要求帖子至少3个karma（类似点赞？）。可以认为被分享的往往是人们感兴趣的、有用的或者有意思的内容。
- WebText最终包括4500w链接，后处理过程：1、提取网页内容后；2、保留2017年以后的内容；3、去重；4、启发式的清理，得到800w+的文档，约40GB；4、剔除维基百科文档，避免与下游测试数据重叠（因为很多测试任务包括了维基百科数据，话说其他数据没有重叠吗？）。
模型：沿用GPT结构，但在模型特征输入编码、权重初始化、词典大小、输入长度、batch size等方面做了一些调整，主要是升级。

结论与讨论

主要结论：
- 文章尝试了四种大小的模型，其中117M对应了Bert-base（和GPT-1），345M对应和Bert-large参数量，最大的模型1542M（15亿参数）。

- 模型的选择使用WebText的5%作为验证数据，实验发现所有大小的模型仍然是欠拟合状态，随着训练时间的增加，在验证集上的效果仍然可以继续提升。
- 当然，在大多数Zero-Shot任务集合上也如愿取得了当时最好的结果：

次要结论：在多数任务上，模型容量和核心指标的关系，可以发现随着模型容量的增加，效果不断变强。15亿参数看上去没有达到瓶颈，也就是说继续提升模型容量，效果能到什么程度极具想象力。（也就有了后续GPT-3的大力出奇迹）
- Children’s Book Test任务：

- Winograd Schema Challenge任务：

- 其他Zero-Shot任务

- 语言模型预训练集和验证集的效果（perplexity困惑度越小越好）

GPT-3

论文链接：《Language Models are Few-Shot Learners》

动机

BERT出来之后，虽然预训练+微调架构取得了惊人的效果（GPT系列短期比不了了），但这种微调有很多限制：

微调需要更多的领域数据，标注成本高，一些特殊任务更是难上加难（如纠错、写作、问答等）。
微调在小数据量下表现好，很可能只是过拟合。很多任务说是超过人类，实际上是夸大了实际表现（模型并不是根据知识和推理去做任务，并不智能）。
以人类的学习习惯对比，在人类有了足够的知识后（预训练），并不需要再看大量的监督数据才能做任务（对应微调），而只需要看少量样例即可。

文章认为，虽然微调现在效果确实打不过，但追求不微调仍然是值得的。方法嘛，延续GPT-2最后的结论，更大的模型、更多的数据、prompt更多的信息（In-Context learning）。

方案简述

主要与GPT-2相比：

沿用GPT-2的模型和训练方法，将模型大小升级到175B（1750亿的参数量 vs 15亿），这个175B的模型叫GPT-3；
不同于BERT/GPT-1模型使用下游任务微调进行效果验证，也不同于GPT-2仅仅使用Zero-Shot进行验证，GPT-3主要验证其In-Context learning的能力（可能认为是不微调，不梯度更新的方式，看通过prompt和几个例子作为输入，来完成具体任务的能力）。
GPT-3也不是不能微调，以后会做一些工作来看看微调的表现（这里说的也就是后面的Codex、InstructGPT和ChatGPT等工作了）。

一些细节

模型训练方式：前面提到了，相对GPT-2没有创新，就是更大模型、更多更丰富的数据、更长的训练时间，不止于Zero-Shot，还做One-Shot和Few-Shot任务（这里的x-Shot是不微调模型的，也就是所谓的In-Context learning，而在预训练阶段没有特殊操作），如图。

模型：沿用了GPT-2的结构，在模型初始化、归一化、Tokenization做了一些优化，另外也“抄”了一些类似Sparse Transformer的优点（总之是加了一些同期一些被验证有效的操作，或自己验证有效的小操作）。为了验证模型容量带来的效果，文章训练了多种大小的模型，最大的175B的叫GPT-3。为了训练大模型，还做了一些模型并行和提效的工作（其实这部分也比较重要，但是没有展开说）。模型大小参数，以及同期一些工作的训练资源开销对比如图：

训练数据准备：
- 文章发现，模型增大之后，引入一些脏数据的负向影响没这么大了。因此，相比于GPT-2，GPT-3开始使用Common Crawl数据集了，但是做了一些清洗工作：1、保留与高质量数据集类似的内容（使用一些相似或判别的方法）；2、去重；
- 最后把清洗后的Common Crawl数据和已有的高质量数据集合并在一起，得到训练数据集，并进行不同权重的采样使用：

模型训练过程：
- 大模型可以使用更大的batch size，但是需要小一点的Learning rate；根据梯度的噪音尺度，动态调整batch size；为了防止大模型OOM，使用了全方位的模型并行，微软提供了硬件和软件的支持。

结论与讨论

主要结论：整体效果不错，在各种数据集上做了对比，NLU相关任务，GPT-3表现不错（个别数据集还超过了有监督微调的方式）；在QA、翻译、推理等任务上还欠点火候，距离监督微调模型差距明显；生成任务基本可以做到人难分辨。如，几个主要的任务：
- SuperGLUE：理解任务为主

- Winogrande：推理任务为主

- TriviaQA：阅读理解任务为主

次要结论：
- 从主要结论曲线，可以明显发现，few-shot比zero-shot效果好，模型越大越好（废话），而且175B好像也没到极限，模型更大效果可能还会继续上升。
- 另一个数据显示，模型越大，loss下降空间越大，当前版本最大的模型，仍然没有收敛（黄色曲线）；另一个不乐观的趋势是随着Loss的逐步降低，算力的ROI（投入产出比）也在逐渐降低。

- 因为模型生成效果真假难辨，文章也着重讨论了模型的偏见、不道德以及不当用途的问题，因此也决定不开源（OpenAI走上CloseAI之路）！

Codex

论文链接：《Evaluating Large Language Models Trained on Code》

动机

GPT-3论文里提到，GPT可以微调但放在未来搞，Codex就是微调工作之一。任务是GPT模型在代码生成方向做微调的探索，算是一个应用方向的论文。

方案简述

具体地，Codex是利用代码注释生成代码。训练数据从github上获取，主要为python语言。为了验证模型效果，Codex做了一个新的数据集（164个原始代码问题，可以认为一些经典的leetcode题、面试题），通过单元测试的方式验证生成代码的正确性。

最终Codex可以取得28%的测试通过率（GPT-3只能解决0%）；如果允许重复采样生成多个结果，选择100个，可以达到70%的通过率（想想自己能通过多少）。经过一些rerank策略，通过率直逼80%。

一些细节

验证集准备：因为之前没有现成的评测代码生成的验证集，文章自己设计了一个HumanEval。并使用pass@k作为评测指标（生成k个结果中有一个能通过就算通过，然后算通过率）。考虑生成代码的安全性不可控，需要使用一个sandbox环境运行（崩了也没事）。HumanEval的样例数据如下，包括代码注释和标准答案：

训练数据：截止到2020年5月，涉及540万的Github仓库，包括179GB的Python文件，文件大小小于1MB。做了一些过滤，主要过滤项是自动生成的代码、平均行长度大于100、最大行长度大于1000、包含一定比例数字等。最后数据集大小159GB。
模型：考虑生成任务，利用GPT系列的预训练模型应该会有好处，选择了13B的GPT模型作为主模型，进行微调。值得一提的是，利用预训练的GPT微调并不优于使用代码数据从头训练（应该是因为数据量已经足够大了），但是使用微调收敛更快。模型细节：
- 参数配置和GPT-3差不多；基于代码数据特点，做了特别的tokenizer，最终少了30%的token；sample数据时使用特别的停止符（'\nclass'、'\ndef'等），保证sample代码的完整性；

结论与讨论

主要结论：
- 不同的参数调整，和采样数量，显著影响生成代码的通过率。

- 如果只选一个答案，使用一些模型输出指标，如最大mean log-probability，可以比随机选择效果更好；用借助先验知识的单元测试进行代码选择，可以取得理论上的最好效果（Oracle）。

次要结论：因为效果还可以，趋势上看模型更大看上去效果还会提升，文章最后讨论了一下对于机器会写代码的担忧（自我优化最可怕）；另外代码中也不出意外的有歧视、道德的偏见。（这个大概源自代码里也有人口吐芬芳，代码命名带Fxxk，有人的地方就有偏见）。

InstructGPT

论文链接：《Training language models to follow instructions with human feedback》

动机

GPT的另一种微调探索，使用用户指令和偏好答案来微调GPT模型，让模型生成的内容更符合用户的意图，更真实、更有用（Alignment，对齐过程）。这么做的出发点是面向一种经典的应用场景，用户给一条指令声明意图，期望模型生成有用、无害的内容，但使用大量网页数据训练的大语言模型GPT无法直接满足这种诉求，因此需要微调。

方案简述

指令微调的过程分为三步（RLHF，Reinforcement Learning from Human Feedback），如下图：

1、准备一批prompt（来源标注人员手写、OpenAI API请求）；对于这批prompt，标注人员手写期望的答案，用这份prompt+answer数据微调GPT-3生成模型，这里叫做supervised policy；

2、使用微调后的模型，根据更多的prompt生成答案（一次prompt多次采样生成个答案），这时外包只要标注生成内容的相对顺序即可；用这份标注数据训练一个reward模型（RM模型），输入prompt和answer，模型输出一个打分（这里同样是使用GPT模型）。

3、采样更多的prompt，使用强化学习的方式，继续训练生成模型，强化学习的reward使用第2步的模型打分。

第2和3步是一个持续迭代的过程，即，第3步训练出的更好的生成模型（policy）可以用来收集更多具有相对顺序标签的数据，这些数据则用来训练新的RM模型（即步骤2），继而再训练新的生成模型（对应步骤3）。大多数的相对顺序标注数据来自于步骤1，一部分来自于步骤2和3的迭代。

此外这篇文章并不是第一个使用该方法的工作，前面还有一篇《Learning to summarize from human feedback》，使用类似三步方法做摘要任务。同样是OpenAI的工作，体现了工作的持续性，而非一蹴而就，灵感也不是说有就有。

一些细节

数据收集过程
- 冷启动阶段：通过部分人工标注的prompt+answer数据，监督训练得到的早期版本InstructGPT；丰富阶段：部署试用版本在线服务，收集更多更丰富的真实用户prompt。本工作并未使用线上正式环境的服务用户数据，试用版本的数据将用于数据标注和模型训练，也提前告知了用户；
- 收集到的prompt根据最长公共前缀做了去重；
- 每个用户最多200条prompt，避免模型迎合个别用户偏好；训练集、验证集和测试集，不包括相同用户（强调用户维度的泛化能力）；
- 过滤prompt中与个人身份相关的信息，同样是避免模型学到用户特征；
- 早期版本InstructGPT的训练数据是由外包手写的prompt和答案，冷启prompt包括3类：1、任意常见任务问题，追求任务的丰富性；2、同一类prompt写多个query和答案；3、模仿真实用户的prompt请求；
- 经过上面的操作，得到三类数据：1、SFT dataset，训练集13k prompts (来自于API和标注人员手写)，用来训练SFT模型；2、RM数据集，训练集33k prompts (来自于API和标注人员手写)，人工标注生成模型输出答案的排序，用来训练RM模型；3、PPO数据集，31k prompts（仅来自于API），不需要人工标注，用来做RLHF fine-tuning。
prompt特点：
- 真实用户的prompt指令类型分布和样例如图，96%的是英文，但结果发现对其他语言也有泛化能力。

数据标注细节（也很关键，值得参考）：
- 一个外包标注团队，由40个承包商组成，应该是为了提升标注多样性，防止模型对标注员风格敏感；
- 对标注人员进行了测试（考试，性格测试），筛选目标是留下那些队不同群体敏感（宗教、性取向、种族等）、能识别潜在有害内容的标注人员；
- 要求标注人员能够准确判断用户意图，对于模糊意图进行跳过；考虑隐含意图，对于一些潜在、诱导性的脏话、偏见、虚假信息能够识别；
- 训练和验证阶段的意图对齐（alignment）有些许冲突：训练阶段强调生成内容的有用性（helpfulness），验证阶段则关注内容的真实性（truthfulness）和是否有害（harmlessness）；
- 标注过程，算法开发和标注人员紧密沟通，为了做到这点，对外包标注人员做了一个入职流程（可能要交社保=_=）；
- 为了测试模型对标注人员的泛化能力，留了一部分测试用的标注人员（held-out labelers，真工具人，严谨了），这些标注人员产出的数据不用于训练，而且这些人员没有经过性格测试；
- 尽管标注任务难度大，但标注人员的标注一致性还可以，训练标注人员标注一致性72.6 ± 1.5%，测试标注人员一致性77.3 ± 1.3%。
模型实现：同训练过程，包括三部分
- Supervised fine-tuning (SFT)：使用标注人员标注的数据，有监督的微调GPT模型，训了16个epoch，学习率cosine decay。模型的选择使用验证集上的RM模型score（鸡生蛋蛋生鸡）。值得一提的是，这里SFT模型在验证集上1个epoch后就overfit了，但是继续更多的epoch有利于RM score和人的偏好。
- Reward modeling (RM)：
  - 模型：同样是SFT GPT模型结构，不过是另外训练了一个6B的（175B不稳定，不适合下面的RL训练），输入是prompt和生成的内容，pooling后接一个全连接（也许有）输出一个scalar reward分。
  - Loss函数表示为：

- - K为是一个prompt模型生成的答案数，标注人员对K个模型进行排序；K为4-9，标9个和4个成本差不多；
  - 需要一个bias对reward进行归一，使其均值为0，方便下游RL使用（这里的bias可以是reword均值，也是RL的常规操作）；
- Reinforcement learning (RL)，两个实验模型：
  - ‘PPO’模型：直接使用经典的PPO算法，一种offline的RL算法，目标是最大化模型反馈的reward，同时兼顾online模型和offline模型的KL散度（这里offline模型是SFT模型，online模型是要优化的目标模型，online模型参数会定期同步到offline模型。如果不熟悉RL可以简单了解其目标即可）；模型输出的reward，由RM打分得到；
  - ‘PPO-ptx’模型：PPO+预训练目标（加这个目标，被验证可以兼顾公开NLP任务的效果），最终的优化目标，最大化：

验证方法：评价模型两方面的能力，1、生成的答案人是不是喜欢；2、经典的NLP任务解决的怎么样。
- 在API请求的prompt验证效果：
  - 真实分布下采样prompt做测试集；
  - 175B的SFT GPT-3模型作为Baseline；
  - 标注人员对各个模型生成的内容打出1-7分的喜欢/认可度；
  - 认可度的依据是helpful、honest和harmless，每个维度又有很多细则。
- 在开源的NLP数据集，包括两类：
  - 评测安全性、真实性、有害和偏见的数据集；
  - 经典NLP任务数据集熵zero-shot的结果，如阅读理解、问答、摘要等。

结论与讨论

主要结论：
- 对于通过API获得的测试集prompt，RLHF显出好于baseline：

- 对比友商模型，也不错：

次要结论（InstructGPT生成内容的白话评价）：
- 标注人员普遍认为InstructGPT生成的内容比GPT-3强很多；
- InstructGPT模型生成的内容比GPT-3事实性更强（出现事实性错误比较少）；
- InstructGPT生成的内容在有害性优于GPT-3，但在偏见方面并没有强很多；
- 在RLHF微调过程中，由于“对齐税”的原因，在开源NLP任务表现变差了，但RLHF基础上增加语言模型的预训练目标，可以得到兼顾（PPO-ptx）。
- InstructGPT模型在 “held-out”标注人员上也表现出了不错的泛化性；
- 公开NLP数据集任务上的表现，并不是InstructGPT追求的（ChatGPT才是）；
- InstructGPT模型在RLHF finetuning数据集分布外的prompt同样具有很好的泛化能力；
- InstructGPT生成的内容仍然会出现一些简单的错误；

ChatGPT

论文没有，官方博客：《https://openai.com/blog/chatgpt》

OpenAI没有开放ChatGPT的细节，只有两段大致方法描述，摘要一下包括：

和InstructGPT的方法大致相同，只是在数据收集上略有不同。ChatGPT使用的对话形式的数据，即多轮prompt和上下文，InstructGPT的数据集也转换成对话格式合并一起使用。
训练RM模型，使用多个模型生成的结果，随机选择模型生成的内容让标注人员根据内容质量排序，然后借助RM模型进行后续的PPO微调训练。同样，这也是一个反复迭代的过程。

更多的细节无了，不过从OpenAI友商Anthropic（创始人也来自OpenAI）的一篇论文能看到更多细节。以OpenAI工作的持续性看，从公司跳槽出去的人，应该也是延续了相关的工作。

读Anthropic之前，插一段OpenAI的系列工作总结，存个档。读了上面的论文，对于这张表的内容应该能够大致理解（参考）：

能力	模型名	训练方法	OpenAI API
Before GPT-3
Pretrain + Fintune like Bert	GPT-1	Language Modeling + Task Finetune	-
Generation+Zero-shot task	GPT-2	Language Modeling	-
GPT-3 Series
Generation+World Knowledge+In-context Learning	GPT-3 Initial	Language Modeling	Davinci
+Follow Human Instruction+generalize to unseen task	Instruct-GPT initial	Instruction Tuning	Davinci-Instruct-Beta
+Code Understanding+Code Generation	Codex initial	Training on Code	Code-Cushman-001
GPT-3.5 Series
++Code Understandning++Code Generation++Complex Reasoning / Chain of Thought (why?)+long-term dependency (probably)	Current Codex Strongest model in GPT3.5 Series	Training on text + code Tuning on instructions	Code-Davinci-002 (currently free. current = Dec. 2022)
++Follow Human Instruction--In-context learning--Reasoning++Zero-shot generation	Instruct-GPT supervisedTrade in-context learning for zero-shot generation	Supervised instruction tuning	Text-Davinci-002
+Follow human value+More detailed generation+in-context learning+zero-shot generation	Instruct-GPT RLHF More aligned than 002, less performance loss	Instruction tuning w. RLHF	Text-Davinci-003
++Follow human value++More detailed generation++Reject questions beyond its knowledge (why?) ++Model dialog context --In-context learning	ChatGPT Trade in-context learning for dialog history modeling	Tuning on dialog w. RLHF	-

可能确实如一些大佬所说，ChatGPT没有创新，只是一堆策略的叠加，凑出了一个强大的模型；也有人说ChatGPT更多的是工程和算法的结合。不管怎么样，方法是真work。

Anthropic的Claude

参考论文链接：《Training a Helpful and Harmless Assistant with Reinforcement Learning from Human Feedback》

ChatGPT出来不久，Anthropic很快推出了Claude，媒体口径下是ChatGPT最有力的竞争者。能这么快的跟进，大概率是同期工作（甚至更早，相关工作论文要早几个月）。Anthropic是OpenAI员工离职创业公司，据说是与OpenAI理念不一分道扬镳（也许是不开放、社会责任感？）。

一些内测结论：Claude相比ChatGPT更能避免潜在harmful的问题，在代码生成略为逊色，通用Prompt不分伯仲。从效果上，可能ChatGPT功能性更强，而Claude更为“无害”（或者说，对社会的潜在负面影响更小），这点从参考论文的标题也有所体现。

动机

引入偏好模型和RLHF（人类反馈强化学习）微调大语言模型（可能因为脱离OpenAI，不提GPT-3了），得到一个helpful和harmless的个人助理（类似ChatGPT）；这种对齐（Alignment）微调，使预训练的语言模型在几乎所有的NLP任务中效果提升显著，并且可以完成特定的任务技能，如coding、摘要和翻译等。

方案简述

其实思路和InstructGPT差不多，三阶段的RLHF。不同点在于，1、进行了迭代式的在线模型训练：模型和RL策略每周使用新的人工反馈数据更新，不断迭代数据和模型；2、使用对话格式的数据数据；3、更为关注模型的helpful和harmless。

除了模型和策略设计之外，文章重点讨论了RLHF的稳定性问题；也对模型校准、目标冲突、OOD（out of distribution）识别等问题做了分析。

目标冲突是指helpful和harmless的目标冲突，因为如果模型对所有问题都回答“不知道”，虽然harmless，但是完全不helpful。

一些细节

对话偏好数据集：
- 收集了一批helpfulness and harmlessness的对话数据集，数据的标注是标注人员和各种52B语言模型在对话标注页面交互完成。标注页面如图；

- 标注人员在交互页面与模型进行开放式对话，或者寻求帮助、或者提出指令、或者引导模型输出有害内容（比如如何成功抢劫）。对于模型输出的多个答案，标注人员需要在每轮对话标注出哪个更有用或哪个更有害；
- 收集了三份数据，一个来自于初始模型（SFT）、一个来自早期的偏好模型（RM）采样、最后一个来自人工反馈的在线强化学习模型（周更）；
- 开源了三份数据：https://github.com/anthropics/hh-rlhf
数据收集和模型训练流程（中间涉及的概念需要读往期论文，了解即可）：

LLaMa与Alpaca

事情发展到现在，有一个小问题，就是模型越来越大，开源越来越少（其实开源了大多数人也玩不了）。首先GPT-3系列模型就很大了，训练和inference模型都需要大量的显卡；其次，GPT-3所用的数据也未公开，有算力复现也稍困难，需要自己去盘数据；在GPT-3之后的ChatGPT的闭源程度更甚，可能要进一步考虑商业利益。

在这样的背景下，前调模型提效以及开放的工作越来越多，近期比较有影响里的当属Meta AI的LLama和斯坦福基于LLama的Alpaca。前者类似GPT的大语言模型，后者类似ChatGPT。

LLama

论文：《LLaMA: Open and Efficient Foundation Language Models》

代码：https://github.com/facebookresearch/llama

动机

大语言模型相关的工作中，过去的普遍假设是模型越大效果越好。但近期有些工作表明，给定计算资源的前提下，最佳的效果不是由最大的模型实现，而是由更多的数据下相对小的模型实现。而后者对于inference或微调阶段更为友好，是更好的追求。
相应的，本文的工作是训练一批模型，实现了更好的效果，同时预测成本低。取得这种效果的一大手段，就是让模型看到了更多的token。训练得到的这些模型就是LLama。

方案简述

LLama的思想比较简单，在动机里已经大致包括。这项工作的其他特点可以简述为以下几点：

提供了7B～65B的模型，13B的模型效果可超GPT-3（175B），65B的模型效果直逼谷歌的PaLM（540B）；
训练模型只用了开源数据集，trillions of token。
多项任务上SOTA，并且开源了所有模型权重。

一些细节

训练数据集（主要是英文，因此中文和中文微调效果堪忧）

模型容量概况

模型结构：

和GPT一样，同样是Transformer Decoder架构，沿用了各种工作被验证有效的小优化（如：Pre-Normalization、SwiGLU激活函数、Rotary Embedding、AdamW优化器等）。同时也做了一些训练效率上的优化，包括模型实现上以及模型并行上的优化。

训练过程：7B和13B的模型在1T的token上进行训练；33B和65B的模型则在1.4T的token上进行了训练。

结论与讨论

LLama对标GPT，主要在Zero-Shot和Few-Shot任务上进行了验证；同时考虑指令微调是现在的流行应用之一，因此也在指令微调任务做了验证。
- Zero-Shot

- Few-Shot

- 指令微调（主要和谷歌的Flan系列做对比）：

Alpaca

文章：https://crfm.stanford.edu/2023/03/13/alpaca.html

代码：https://github.com/tatsu-lab/stanford_alpaca

动机

前面可以看到，GPT-3.5、ChatGPT、Claude以及Bing Chat等指令微调模型被验证效果拔群，但仍存在生存内容虚假、带偏见和恶意等问题。为了加快这些问题的解决，需要学术届（穷老师、学生、公司）的加入一起研究，但是GPT-3.5这些模型大且闭源。

前阵子LLama发布，给了希望。所以基于LLama做指令微调得到了Alpaca模型，效果和GPT-3.5差不多，而且简单、复现成本低。

方案简述

穷人搞指令微调，需要两个前提：1、参数量小且效果好的预训练语言模型；2、高质量的指令训练数据。
这两个前提，现在看上去可以方便满足：1、LLama模型7B模型，可以接受；2、通过现有的强语言模型可以自动生产训练数据（准备prompt，调用GPT-3.5系列的OpenAI api）。

一些细节

训练方式：使用指令微调的方式，在LLama 7B模型上训练；训练数据规模为5.2万，来源是对OpenAI GPT-3.5 API的调用（花费500美元）；微调过程在8张 80G A100s显卡训练3小时（使用云计算服务，花费100美元）。训练过程如图。

结论和讨论

目前开放了：测试Demo、训练数据集、训练数据的生成过程、训练代码；预训练的权重未来开放（可能考虑一些外因）；

Demo: an interactive demo for everyone to try out Alpaca.
Data:52K demonstrationsused to fine-tune Alpaca.
Data generation process: the code forgenerating the data.
Training code: for fine-tuning the model using the Hugging Face API.

未来可能的方向（不包括优化推理能力，也许这些还是要留给有钱人）：

模型验证：更加系统严格的对模型进行评估，会从HELM (Holistic Evaluation of Language Models) 开始，检验模型的生成和指令对其能力；
模型的安全性：更全面的评估模型的风险性；
理解模型（可解释）：研究模型学到的是什么？基模型的选择有什么学问？增加模型参数带来的是什么？指令数据最关键的是什么？有没有其他的收集数据的方法？

GLM与ChatGLM

LLama虽好，但更多的是使用英文数据集，但在中文上表现不佳。同样指令微调后在中文场景下上限应该也比较低。因此在中文上，有必要有自己的一条研究方向，当前影响力比较高的开源版本属清华的GLM和ChatGLM。

GLM和ChatGLM相关的介绍比较多，下面摘抄部分内容对其进行简单了解。

GLM

论文：

《GLM: General Language Model Pretraining with Autoregressive Blank Infilling》
《GLM-130B: AN OPEN BILINGUAL PRE-TRAINED MODEL》

方案简述

GLM-130B是在GPT-3之后，清华的大语言模型方向的尝试。不同于 BERT、GPT-3 以及 T5 的架构，GLM-130B是一个包含多目标函数的自回归预训练模型。

一些细节

GLM-130B在2022年8月开放，有一些独特的优势：

双语：同时支持中文和英文。
高精度（英文）：在公开的英文自然语言榜单 LAMBADA、MMLU 和 Big-bench-lite 上优于 GPT-3 175B（API: davinci，基座模型）、OPT-175B 和 BLOOM-176B。
高精度（中文）：在7个零样本 CLUE 数据集和5个零样本 FewCLUE 数据集上明显优于 ERNIE TITAN 3.0 260B 和 YUAN 1.0-245B。
快速推理：首个实现 INT4 量化的千亿模型，支持用一台 4 卡 3090 或 8 卡 2080Ti 服务器进行快速且基本无损推理。
可复现性：所有结果（超过 30 个任务）均可通过我们的开源代码和模型参数复现。
跨平台：支持在国产的海光 DCU、华为昇腾 910 和申威处理器及美国的英伟达芯片上进行训练与推理。

ChatGLM

文章：https://chatglm.cn/blog

代码：https://github.com/THUDM/ChatGLM-6B

方案简介

ChatGLM参考ChatGPT 的设计思路，在千亿基座模型 GLM-130B中注入了代码预训练，通过有监督微调（Supervised Fine-Tuning）等技术实现人类意图对齐。

为与社区一起更好地推动大模型技术的发展，清华同时开源 ChatGLM-6B 模型。ChatGLM-6B 是一个具有62亿参数的中英双语语言模型。通过使用与 ChatGLM（http://chatglm.cn）相同的技术，ChatGLM-6B 初具中文问答和对话功能，并支持在单张 2080Ti 上进行推理使用。

一些细节

ChatGLM-6B 有如下特点：

充分的中英双语预训练：ChatGLM-6B 在 1:1 比例的中英语料上训练了 1T 的 token 量，兼具双语能力。
优化的模型架构和大小：吸取 GLM-130B 训练经验，修正了二维 RoPE 位置编码实现，使用传统FFN结构。6B（62亿）的参数大小，也使得研究者和个人开发者自己微调和部署 ChatGLM-6B 成为可能。
较低的部署门槛：FP16 半精度下，ChatGLM-6B 需要至少 13GB 的显存进行推理，结合模型量化技术，这一需求可以进一步降低到 10GB（INT8）和 6GB（INT4），使得 ChatGLM-6B 可以部署在消费级显卡上。
更长的序列长度：相比 GLM-10B（序列长度1024），ChatGLM-6B 序列长度达 2048，支持更长对话和应用。
人类意图对齐训练：使用了监督微调（Supervised Fine-Tuning）、反馈自助（Feedback Bootstrap）、人类反馈强化学习（Reinforcement Learning from Human Feedback）等方式，使模型初具理解人类指令意图的能力。输出格式为 markdown，方便展示。

因此，ChatGLM-6B 具备了一定条件下较好的对话与问答能力。ChatGLM-6B 也有相当多已知的局限和不足：

模型容量较小：6B 的小容量，决定了其相对较弱的模型记忆和语言能力。在面对许多事实性知识任务时，ChatGLM-6B 可能会生成不正确的信息；她也不擅长逻辑类问题（如数学、编程）的解答。
可能会产生有害说明或有偏见的内容：ChatGLM-6B 只是一个初步与人类意图对齐的语言模型，可能会生成有害、有偏见的内容。
较弱的多轮对话能力：ChatGLM-6B 的上下文理解能力还不够充分，在面对长答案生成，以及多轮对话的场景时，可能会出现上下文丢失和理解错误的情况。
英文能力不足：训练时使用的指示大部分都是中文的，只有一小部分指示是英文的。因此在使用英文指示时，回复的质量可能不如中文指示的回复，甚至与中文指示下的回复矛盾。
易被误导：ChatGLM-6B 的“自我认知”可能存在问题，很容易被误导并产生错误的言论。例如当前版本模型在被误导的情况下，会在自我认知上发生偏差。即使该模型经过了1万亿标识符（token）左右的双语预训练，并且进行了指令微调和人类反馈强化学习（RLHF），但是因为模型容量较小，所以在某些指示下可能会产生有误导性的内容。

小结

到这里还是低谷了工作量，写吐了，谷歌系列的几个工作，还是得单独一篇才能完结。与OpenAI的工作类似，谷歌同样产出了对标GPT-3和InstructGPT之类的模型，也包括了T5系列的Encoder-Decoder结构的大语言模型，而且并不是简单的Follow。

另一方面3、4月份，广大的开源工作者们也是百花齐放，在类ChatGPT的应用方向做出了很多探索工作，包括训练数据、模型、以及训练方法的探索与开源。在训练效率方向上，也出现了ChatGLM+Lora、LLama+Lora等进一步降低训练成本的工作。

这部分的内容也将在后面进行总结式的介绍和更新，也期待在这段时间里有更多优秀的工作诞生。对于文章中内容中的不正之处，也欢迎指正交流～。

参考内容：

文章参考了诸多论文、博客以及“跟李沐学AI”关于一些相关论文的介绍，部分内容和插图参考链接如下。

1、https://crfm.stanford.edu/2023/03/13/alpaca.html

2、https://chatglm.cn/blog

3、https://crfm.stanford.edu/2023/03/13/alpaca.html

4、https://space.bilibili.com/1567748478/channel/collectiondetail?sid=32744

5、A Survey of Large Language Models

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