一、前言

2022 年 11 月，OpenAI 发布了大规模语言模型的又一力作：ChatGPT，瞬间引爆学术界和舆论场，有人用它编写贺词发送祝福，有人用它吟诗作赋冒充诗人，有人用它编写代码ctrlcv，还有人套路它走向罪恶恐怖如斯，如此强大的 AI 对话模型 ChatGPT，作为大规模预训练语言模型的集大成者，到底是天才的一蹴而就，还是技术的厚积薄发，本文跟大家聊聊这些光鲜的背后发展历程。

二、大规模语言模型

计算机要实现自然语言处理 NLP，大致有两方面的工作：自然语言理解（Natural Language Understanding，NLU）和自然语言生成（Natural Language Generation，NLG）。

在 2017 年之前，也就是 Transformer 提出之前，大家实现 NLP 的思路，主要是在特定任务上训练「静态词向量 + RNN」，总的来说 RNN 非常难以训练，需要大量数据样本，才能获得效果稍好的模型，还会出现大量其他问题，例如梯度问题、长句子表现极差，这时就有大佬想到，如果先预训练一下 RNN，获得一个通用的语言模型，然后在下游任务上微调预训练好的 RNN，这样大概率会更容易获得有效的模型，这便是大规模预训练语言模型的初衷。

时过境迁，NLP 领域陆续出现了一些使用预训练的探索性方法，例如 Semi-supervised Sequence Learning、ULMFiT，但是模型方法真实效果一直处在不温不火的状态，直至 Transformer 提出。

2017 年 6 月，Google 在《Attention is all you need》中提出 Transformer，Attention 大杀四方、惊为天物。Transformer 由输入、输出、编码器、解码器组成，其中编码器由 6 个编码器层组成，每个编码器层有两个子层：「多头自注意力层 + 规范化层 + 残差连接」和「前馈全连接层 + 规范化层 + 残差连接」，解码器也由 6 个解码器层组成，每个解码器层有三个子层：「多头自注意力层 + 规范化层 + 残差连接」、「多头注意力层 + 规范化层 + 残差连接」和「前馈全连接层 + 规范化层 + 残差连接」。传统 RNN 及其变体只能按照序列顺序来计算词之间的语义特征和句法结构，距离越远且特征损耗越大，而 Attention 能直接跨越计算任意两个词的特征联系，这种高质高效的创新设计成为了后续各种学术和工程的讨论主题。

2018 年 6 月，恰好距离 Transformer 提出一年，另一个注定伟大的公司，微软投资的 OpenAI 发布了 GPT（Generative Pre-Training）初代，模型主体采用了 Transformer 的解码器层，去除了中间子层「多头注意力层 + 规范化层 + 残差连接」，共堆叠了 12 个编码器层，Attention 头数 12，词向量长度 768，预训练数据 5 GB，参数量 1.17 亿。GPT 初代的训练核心延续了「无监督的预训练 + 有监督的微调」，在无监督的预训练阶段，使用海量无标注语料训练语言模型，生成预训练模型。在微调阶段，利用特定任务的标注语料对预训练模型做微调，以完成特定任务上的适配。

同年 10 月，Google 发布 BERT，技惊四座、一时无两。在模型结构方面，BERT 采用了 Transformer 的编码器层，堆叠了 12 个编码器层，词向量维度 768，Attention 头数 12。相比 GPT 初代，BERT 是典型的文本理解模型。BERT 之前的预训练语言模型，只能使用左边的文本，或者右边的文本，但是下游任务中文本理解需要同时考虑两边，例如在序列标注任务中，我们需要两边的词来确定中间词的词性、实体关系。针对这个问题，Google 设计了预训练任务 Masked Language Model，在训练 BERT 时，遮盖 15% 的输入单词，然后根据上下文预测遮盖词，这样就可以利用上下文进行建模，来预测被遮盖的单词，我们已经将目标词遮盖掉了，不管是从左向右看，还是从右向左看，都看不到目标词。

2019 年 2 月，OpenAI 又发布了 GPT-2，相对 GPT 初代，GPT-2 没有结构上的创新，堆叠了更多的 48 个编码器层，词向量长度 1024，预训练数据 40 GB，参数量 15 亿。总的来说，GPT-2 添加了更多的训练任务、更多的训练数据、更多的模型参数。

2020 年 5 月，OpenAI 马不停蹄又发布了 GPT-3，从 GPT 初代到 GPT-3，全部采用 Transformer 架构，模型结构没有本质的创新。GPT-3 堆叠了 96 个编码器层，Attention 头数 96，词向量长度 12888，预训练数据 45 TB，参数量达到了惊人的 1750 亿，使用了更多的训练数据、更多的模型参数。在模型训练方面，GPT-3 发生了很大变化。在 GPT-3 之前，不同的 NLP 任务需要模型适配，采用「预训练模型 + 下游任务微调」的训练范式。而 GPT-3 采用「预训练模型 + 情景学习（In-context Learning，ICL）」，在情景学习阶段，模型不需要更新参数。所谓情景学习，简单来说就是通过向模型喂入一个任务提示 (prompt)，并加入少量示例，模型就可以自动生成相关任务的答案。微调需要一定数量的监督学习数据，而情景学习只需要少量甚至不需要模型适配数据。因此，对于复杂任务，我们可以使用「少样本学习（Few-shot Learning）」，即模型推理时，提供问题描述和 10-100 个示例供模型参考，模型不更新参数。对于简单任务，我们可以使用「一次学习（One-shot Learning）」，即提供问题描述和 1 个示例供模型参考，或者「零次学习（Zero-shot Learning）」，仅提供问题描述，模型也不再更新参数。很显然，这种方法更具优势。

接下来就是本文的主角 ChatGPT。

三、ChatGPT 与强化学习

前面讲的 GPT-3 并不完美，在实际生产环境中，它给出的内容不一定是真实合理的，模型根本无法判断自身输出结果的正确性。同时，由于模型是基于大批量文本的预训练得来，所以具有一定的偏向性，有时生成的某些语句带有种族歧视或者暴力倾向等问题，毕竟大规模数据不是人力可以进行筛选的。针对这些问题，OpenAI 设计了 ChatGPT，并提出了 3H 优化目标：有用的（Helpful）、可信的（Honest）、无害的（Harmless）。

在模型训练方面，ChatGPT 使用了强化学习策略。第一步，构建一个 prompt dataset，包含大量提示文本，对 GPT-3 进行监督学习微调。

第二步，对第一步微调后的 GPT-3 进一步推理 prompt dataset 任务，获得多个结果，交给人工进行标注排序，用标注的结果训练一个奖励模型（reward model），用于接下来校正 GPT-3 的输出结果。在这一步中，OpenAI 雇用了 40 个外包公司进行人工标注，也就是所谓的「人类反馈强化学习」（Reinforcement Learning from Human Feedback，RLHF），在训练中使用人类反馈，以最小化无益、失真或偏见的输出结果。

第三步，再拿 GPT-3 推理 prompt dataset 任务，用第二步获得的奖励模型对 GPT-3 推理结果进行打分，也就是强化学习计算 reward，最后交给策略来更新梯度。正如通过比赛结果来判定 AlphaGo 下棋正确与否，ChatGPT 的回答是否正确，是通过奖励模型来确定。

ChatGPT 之所以会这么成功，本身依靠 GPT-3 继续精调，同时融入了强化学习，优化方向变得可控，再加 40 个外包公司的辅助 buff，拥有了大量优质的人工标注数据。

与此同时，ChatGPT 训练成本也是巨大的。尽管官方没有具体公布，我们可以参考 GPT-3 的训练所需：1200 万美刀的训练费用，31 个分工明确的协作者，28 万个 CPU，1 万个 GPU，45 TB 训练数据，维基百科的全部数据仅占 0.6 %，ChatGPT 肯定有过之无不及。如此之高的训练成本，意味着 ChatGPT 不能够被轻易复制，这不 Google Bard 首秀就不幸翻车了，市值暴跌 7 千亿。