ChatGPT技术原理

Task03 ChatGPT技术原理

目录

  • 阶段一:有监督微调Supervised fine-tuning (SFT)
  • 阶段二:训练回报模型(Reward Model, RM)
  • 阶段三:使用强化学习微调 SFT 模型

ChatGPT 是由 GPT-3 迭代来的,原有的 GPT-3 可能难以从文本中学会一些更高层次的表示,这就导致了 GPT-3 这样的语言模型,很难理解用户的真实意图,经常出现答非所问的情况,一本正经的胡说八道

ChatGPT 又是如何做的改进?ChatGPT要解决的核心问题就是怎么让模型和用户对齐。

那么模型和用户对齐是什么呢?就是让模型学会理解人类的命令指令的含义(比如给我写一段小作文生成类问题、知识回答类问题、头脑风暴类问题等不同类型的命令),以及让模型学会判断对于给定 prompt 输入指令(用户的问题),什么样的答案是优质的(富含信息、内容丰富、对用户有帮助、无害、不包含歧视信息等多种标准)。

在这里ChatGPT做的改进是通过引入“人工标注数据+强化学习”(RLHF,Reinforcement Learning from Human Feedback ,这里的人工反馈其实就是人工标注数据)来不断Fine-tune预训练语言模型。

在“人工标注数据+强化学习”框架下,训练 ChatGPT 主要分为三个阶段:

  • 第一阶段使用标准数据(prompt 和对应的回答)进行微调,也就是有监督微调 SFT(Supervised fine-tuning)
  • 第二个阶段,训练回报模型(Reward Model, RM)。给定 prompt(大约3万左右),使用微调后的模型生成多个回答,人工对多个答案进行排序,然后使用 pair-wise learning 来训练 RM,也就是学习人工标注的顺序(人工对模型输出的多个答案按优劣进行排序)。
  • 最后一个阶段就是使用强化学习,微调预训练语言模型。

使用强化学习的目的是让模型的答案更接近人类意图,这一阶段不需要人工标注数据,而是利用上一阶段学好的RM模型,靠RM模型的打分结果来更新预训练模型参数。那么这里又有一个问题,为什么不直接使用SFT,主要原因还是标注数据太少。

下面来详细介绍这三个阶段:

阶段一:有监督微调Supervised fine-tuning (SFT)

ChatGPT技术原理_第1张图片

为了让 ChatGPT 初步具备理解指令中(prompt)蕴含的意图,首先会从测试用户提交的 prompt (就是指令或问题)中随机抽取一批,靠专业的标注人员,给出指定 prompt 的高质量答案,然后用这些人工标注好的 数据来 Fine-tune GPT-3 模型。经过这个过程,我们可以认为 ChatGPT 初步具备了理解人类 prompt 中所包含意图,并根据这个意图给出相对高质量回答的能力,但是由于样本太少,很难达到理想效果。

总的来说,第一阶段主要做的工作是使用人工标注的指令答案数据对来微调GPT3,这一部分就认为ChatGPT初步具备理解prompt中的人类意图。

标注数据集主要是一些问答、生成任务等问题,主要分为如下部分:

ChatGPT技术原理_第2张图片

阶段二:训练回报模型(Reward Model, RM)

ChatGPT技术原理_第3张图片

这个阶段的主要目的是通过人工标注训练数据,来训练回报模型。具体而言,随机抽样一批用户提交的 prompt (大部分和第一阶段的相同),使用第一阶段 Fine-tune 好的模型,对于每个 prompt,由之前的 SFT 模型生成 K 个不同的回答,于是模型产生出了, ….数据(这里面 K 是4到9之间)。之后,标注人员对 K 个结果按照很多标准(上面提到的相关性、富含信息性、有害信息等诸多标准)综合考虑进行排序,给出 K 个结果的排名顺序,这就是此阶段人工标注的数据。

接下来,我们准备利用这个排序结果数据来训练回报模型,采取的训练模式其实就是平常经常用到的 pair-wise learning to rank(配对学习排序)。对于K个排序结果,两两组合,形成 ( k 2 ) \binom{k}{2} (2k)个训练数据对,ChatGPT 采取 pair-wise loss 来训练回报模型。RM 模型接受一个输入,给出评价回答质量高低的回报分数 Score。对于一对训练数据,我们假设人工排序中 answer1 排在 answer2 前面,那么 Loss 函数则鼓励 RM 模型对 的打分要比 的打分要高。

下面是回报模型的损失函数:

loss ( θ ) = − 1 ( k 2 ) E ( x , y w , y l ) ∼ D [ log ( σ ( r θ ( x , y w ) − r θ ( x , y l ) ) ) ] \text{loss}\left( \theta \right)=-\frac{1}{\binom{k}{2}}E_{\left( x,y_w,y_l \right)\sim D}\left[ \text{log}\left( \sigma\left( r_{\theta}\left( x,y_w \right)-r_{\theta}\left( x,y_l \right) \right) \right) \right] loss(θ)=(2k)1E(x,yw,yl)D[log(σ(rθ(x,yw)rθ(x,yl)))]

其中$ r_{\theta}\left( x,y \right) 表示回报模型的输出, 表示回报模型的输出, 表示回报模型的输出,x 是给定的 p r o m p t , 是给定的 prompt, 是给定的prompty 表示对于的回答。 表示对于的回答。 表示对于的回答。y_w 和 和 y_l 表示回答 表示回答 表示回答w 排在回答 排在回答 排在回答l$前面 ,类似上面的 answer1 排在 answer2 前面。

总结的来说,在这个阶段里,首先由 SFT 监督模型为每个 prompt 产生 K 个结果,人工根据结果质量由高到低排序,以此作为训练数据,通过 pair-wise learning to rank 模式来训练回报模型。对于学好的 RM 模型来说,输入,输出结果的质量得分,得分越高说明产生的回答质量越高。

阶段三:使用强化学习微调 SFT 模型

ChatGPT技术原理_第4张图片

本阶段无需人工标注数据,而是利用上一阶段学好的 RM 模型,靠 RM 打分结果来更新预训练模型参数。具体而言,首先,从用户提交的 prompt 里随机采样一批新的命令(指的是和第一第二阶段不同的新的 prompt),且由一阶段的 SFT 模型来初始化 PPO 模型的参数。然后,对于随机抽取的 prompt,使用 PPO 模型生成回答answer, 并用上一阶段训练好的 RM 模型给出 answer 质量评估的回报分数 score,这个回报分数就是 RM 赋予给整个回答的整体 reward。

强化学习的目标函数如下:

object ( ϕ ) = E ( x , y ) ∼ D π ϕ R L [ r θ ( x , y ) − β  log ( π ϕ R L ( y ∣ x ) / π S F T ( y ∣ x ) ) ] + γ E x ∼ D pretrain [ log ( π ϕ R L ( x ) ) ] \text{object}\left( \phi \right)=E_{\left( x,y\right)\sim D_{\pi {\phi}^{RL}}}\left[ r{\theta}\left( x,y \right)-\beta\space \text{log}\left( \pi {\phi}^{RL}\left( y|x \right)/\pi^{SFT}\left( y|x \right) \right) \right]+\gamma E{x\sim D_{\text{pretrain}}}\left[ \text{log}\left( \pi _{\phi}^{RL}\left( x \right) \right) \right] object(ϕ)=E(x,y)DπϕRL[rθ(x,y)β log(πϕRL(yx)/πSFT(yx))]+γExDpretrain[log(πϕRL(x))]

这里面第一项是最大化回报 score,第二项是让强化学习的输出不要偏离 SFT 太多,最后一项是保证微调的同时,原有语言模型的效果不会变差。

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