电子说
最近,OpenAI的预训练模型ChatGPT给人工智能领域的研究人员留下了深刻的印象和启发。毫无疑问,它又强又聪明,且跟它说话很好玩,还会写代码。它在多个方面的能力远远超过了自然语言处理研究者们的预期。于是我们自然就有一个问题:ChatGPT 是怎么变得这么强的?它的各种强大的能力到底从何而来?在这篇文章中,我们试图剖析 ChatGPT 的突现能力(Emergent Ability),追溯这些能力的来源,希望能够给出一个全面的技术路线图,来说明 GPT-3.5 模型系列以及相关的大型语言模型是如何一步步进化成目前的强大形态。
我们希望这篇文章能够促进大型语言模型的透明度,成为开源社区共同努力复现 GPT-3.5 的路线图。
致国内的同胞们:
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初代GPT-3展示了三个重要能力:
那么这些能力从何而来呢?
基本上,以上三种能力都来自于大规模预训练:在有3000亿单词的语料上预训练拥有1750亿参数的模型( 训练语料的60%来自于 2016 - 2019 的 C4 + 22% 来自于 WebText2 + 16% 来自于Books + 3%来自于Wikipedia)。其中:
令人好奇的是,初代的GPT-3有多强。 其实比较难确定初代 GPT-3(在 OpenAI API 中被称为davinci
)到底是“强”还是“弱”。一方面,它合理地回应了某些特定的查询,并在许多数据集中达到了还不错的性能;另一方面,它在许多任务上的表现还不如 T5 这样的小模型 (参见其原始论文)。在今天(2022 年 12 月)ChatGPT 的标准下,很难说初代的 GPT-3 是“智能的”。Meta 开源的 OPT 模型试图复现初代 GPT-3,但它的能力与当今的标准也形成了尖锐的对比。许多测试过 OPT 的人也认为与现在的text-davinci-002
相比,该模型确实 “不咋地”。尽管如此,OPT 可能是初代 GPT-3 的一个足够好的开源的近似模型了(根据 OPT 论文和斯坦福大学的 HELM 评估)。
虽然初代的 GPT-3 可能表面上看起来很弱,但后来的实验证明,初代 GPT-3 有着非常强的潜力。这些潜力后来被代码训练、指令微调 (instruction tuning) 和基于人类反馈的强化学习 (reinforcement learning with human feedback, RLHF) 解锁,最终体展示出极为强大的突现能力。
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从最初的 GPT-3 开始,为了展示 OpenAI 是如何发展到ChatGPT的,我们看一下 GPT-3.5 的进化树:
在 2020 年 7 月 ,OpenAI 发布了模型索引为的 davinci
的初代 GPT-3 论文,从此它就开始不断进化。在 2021 年 7 月 ,Codex 的论文发布,其中初始的 Codex 是根据(可能是内部的)120 亿参数的 GPT-3 变体进行微调的。后来这个 120 亿参数的模型演变成 OpenAI API 中的code-cushman-001
。在 2022 年 3 月 ,OpenAI 发布了指令微调 (instruction tuning) 的论文,其监督微调 (supervised instruction tuning) 的部分对应了davinci-instruct-beta
和text-davinci-001
。在 2022 年 4 月至 7 月的 ,OpenAI 开始对code-davinci-002
模型进行 Beta 测试,也称其为 Codex。然后code-davinci-002
、text-davinci-003
和ChatGPT
都是从code-davinci-002
进行指令微调得到的。详细信息请参阅 OpenAI的模型索引文档。
尽管 Codex 听着像是一个只管代码的模型,但code-davinci-002
可能是最强大的针对自然语言 的GPT-3.5 变体(优于 text-davinci-002
和 -003
)。code-davinci-002
很可能在文本和代码上都经过训练,然后根据指令进行调整(将在下面解释)。然后2022 年 5-6 月 发布的text-davinci-002
是一个基于code-davinci-002
的有监督指令微调 (supervised instruction tuned) 模型。在text-davinci-002
上面进行指令微调 很可能降低 了模型的上下文学习 能力,但是增强了 模型的零样本能力 (将在下面解释)。然后是text-davinci-003
和 ChatGPT
,它们都在 2022 年 11 月 发布,是使用的基于人类反馈的强化学习的版本指令微调 (instruction tuning with reinforcement learning from human feedback) 模型的两种不同变体。text-davinci-003
恢复了(但仍然比code-davinci-002
差)一些在text-davinci-002
中丢失的部分上下文学习能 力(大概是因为它在微调的时候混入了语言建模) 并进一步改进了零样本能力(得益于RLHF)。另一方面,ChatGPT 似乎牺牲了几乎所有的上下文学习的能力 来换取 建模对话历史的能力。
总的来说,在 2020 - 2021 年期间,在code-davinci-002
之前,OpenAI 已经投入了大量的精力通过代码训练和指令微调来增强GPT-3。当他们完成code-davinci-002
时,所有的能力都已经存在了。很可能后续的指令微调,无论是通过有监督的版本还是强化学习的版本,都会做以下事情(稍后会详细说明):
text-davinci-003
,有些更擅长对话,如ChatGPT
。code-davinci-002
在基准测试中实现了最佳性能(但模型不一定符合人类期望)。在code-davinci-002
上进行指令微调后,模型可以生成更加符合人类期待的反馈(或者说模型与人类对齐),例如:零样本问答、生成安全和公正的对话回复、拒绝超出模型它知识范围的问题。
在code-davinci-002
和text-davinci-002
之前,有两个中间模型,分别是 davinci-instruct-beta 和 text-davinci-001。两者在很多方面都比上述的两个-002模型差(例如,text-davinci-001 链式思维推理能力不强)。所以我们在本节中重点介绍 -002 型号。
我们关注code-davinci-002
和text-davinci-002
,这两兄弟是第一版的 GPT3.5 模型,一个用于代码,另一个用于文本。它们表现出了三种重要能力与初代 GPT-3 不同的能力:
响应人类指令 :以前,GPT-3 的输出主要训练集中常见的句子。现在的模型会针对指令 / 提示词生成更合理的答案(而不是相关但无用的句子)。
泛化到没有见过的任务 :当用于调整模型的指令数量超过一定的规模时,模型就可以自动在从没见过的新指令上也能生成有效的回答。这种能力对于上线部署至关重要 ,因为用户总会提新的问题,模型得答得出来才行。
代码生成和代码理解 :这个能力很显然,因为模型用代码训练过。
利用思维链 (chain-of-thought) 进行复杂推理 :初代 GPT3 的模型思维链推理的能力很弱甚至没有。code-davinci-002 和 text-davinci-002 是两个拥有足够强的思维链推理能力的模型。
这些能力从何而来?
与之前的模型相比,两个主要区别是指令微调 和代码训练 。具体来说
能够响应人类指令 的能力是指令微调 的直接产物。
对没有见过的指令做出反馈 的泛化能力是在指令数量超过一定程度之后自动出现的 ,T0、Flan 和 FlanPaLM 论文进一步证明了这一点
使用思维链 进行复杂推理 的能力很可能是代码训练 的一个神奇的副产物 。对此,我们有以下的事实作为一些支持:
此外, 代码训练 另一个可能的副产品是长距离依赖 ,正如Peter Liu所指出:“语言中的下个词语预测通常是非常局部的,而代码通常需要更长的依赖关系来做一些事情,比如前后括号的匹配或引用远处的函数定义”。这里我想进一步补充的是:由于面向对象编程中的类继承,代码也可能有助于模型建立编码层次结构的能力。我们将对这一假设的检验留给未来的工作。
另外还要注意一些细节差异:
text-davinci-002 与 code-davinci-002
001 模型(code-cushman-001 和 text-davinci-001)v.s. 002 模型(code-davinci-002 和 text-davinci-002)
在这个阶段,我们已经确定了指令微调和代码训练的关键作用。一个重要的问题是如何进一步分析代码训练和指令微调的影响?具体来说:上述三种能力是否已经存在于初代的GPT-3 中,只是通过指令和代码训练触发 / 解锁 ?或者这些能力在初代的 GPT-3 中并不存在 ,是通过指令和代码训练注入? 如果答案已经在初代的 GPT-3 中,那么这些能力也应该在 OPT 中。因此,要复现这些能力,或许可以直接通过指令和代码调整 OPT。 但是,code-davinci-002 也可能不是基于最初的 GPT-3 davinci,而是基于比初代 GPT-3 更大的模型。如果是这种情况,可能就没办法通过调整 OPT 来复现了。研究社区需要进一步弄清楚 OpenAI 训练了什么样的模型作为 code-davinci-002 的基础模型。
我们有以下的假设和证据:
code-davinci-002的基础模型可能不是初代GPT-3 davinci 模型 。以下是证据:
另一方面,无论基础模型是初代的 GPT-3 还是后来训练的模型, 遵循指令和零样本泛化的能力都可能已经存在于基础模型 中,后来才通过指令微调来解锁 (而不是注入)
然而 ,模型的复杂推理能力可能是在预训练阶段通过代码数据注入
区分代码训练和指令微调效果的最好方法 可能是比较 code-cushman-001、T5 和 FlanT5
在当前阶段(2022 年 12 月), text-davinci-002、text-davinci-003 和 ChatGPT之间几乎没有严格的统计上的比较 ,主要是因为
所以在这些模型之间的比较更多是基于研究社区的集体经验 (统计上不是很严格)。不过,我们相信初步的描述性比较仍然可以揭示模型的机制。
我们首先注意到以下 text-davinci-002,text-davinci-003 和 ChatGPT 之间的比较:
这意味着大多数新模型的行为都是 RLHF 的产物 。
那么让我们看看 RLHF 触发的能力:
有两件事情值得注意:
幕后发生的事情可能是:
到目前为止,我们已经仔细检查了沿着进化树出现的所有能力,下表总结了演化路径:
我们可以得出结论:
语言生成能力 + 基础世界知识 + 上下文学习都是来自于预训练(davinci
)
存储大量知识的能力来自 1750 亿的参数量。
遵循指令和泛化到新任务的能力来自于扩大指令学习中指令的数量(Davinci-instruct-beta
)
执行复杂推理的能力很可能来自于代码训练(code-davinci-002
)
生成中立、客观的能力、安全和翔实的答案来自与人类的对齐。具体来说:
text-davinci-002
text-davinci-003
对话能力也来自于 RLHF(ChatGPT
),具体来说它牺牲了上下文学习的能力,来换取:
虽然GPT-3.5是自然语言处理研究中的重要一步,但它并没有完全包含许多研究人员(包括 AI2)设想的所有理想属性。以下是GPT-3.5不具备的某些重要属性:
实时改写模型的信念 :当模型表达对某事的信念时,如果该信念是错误的,我们可能很难纠正它:
形式推理 :GPT-3.5系列不能在数学或一阶逻辑等形式严格的系统中进行推理:
一个例子是严格的数学证明,要求中间步骤中不能跳,不能模糊,不能错。
但这种严格推理到底是应该让语言模型做还是让符号系统做还有待讨论。一个例子是,与其努力让 GPT 做三位数加法,不如直接调 Python。
生成如何做豆腐脑的方法。做豆腐脑的时候,中间很多步骤模糊一点是可以接受的,比如到底是做咸的还是做甜的。只要整体步骤大致正确,做出来的豆腐脑儿就能吃。
数学定理的证明思路。证明思路是用语言表达的非正式的逐步解法,其中每一步的严格推导可以不用太具体。证明思路经常被用到数学教学:只要老师给一个大致正确的整体步骤,学生就可以大概明白。然后老师把具体的证明细节作为作业布置给学生,答案略。
在自然语言处理的文献中, “推理” 一词的定义很多时候不太明确。但如果我们从模糊性的角度来看,例如一些问题 (a) 非常模棱两可,没有推理;(b) 有点儿逻辑在里面,但有些地方也可以模糊;(c) 非常严谨,不能有任何歧义。那么,
模型可以很好地进行 (b) 类的带模糊性的推理,例子有:
GPT-3.5 不能进行类型 (c) 的推理(推理不能容忍歧义)。
从互联网进行检索 :GPT-3.5 系列(暂时)不能直接搜索互联网
模型的内部知识总是在某个时间被切断。模型始终需要最新的知识来回答最新的问题。
回想一下,我们已经讨论过 1750 亿的参数大量用于存储知识。如果我们可以将知识卸载到模型之外,那么模型参数可能会大大减少,最终它甚至可以在手机上运行(疯狂的想法,但 ChatGPT 已经足够科幻了,谁知道未来会怎样呢).
但是有一篇 WebGPT 论文发表于2021年12月,里面就让 GPT 调用了搜索引擎。所以检索的能力已经在 OpenAI 内部进行了测试。
这里需要区分的一点是,GPT-3.5 的两个重要但不同的能力是 知识 和 推理 。一般来说,如果我们能够 将知识部分卸载到外部的检索系统,让语言模型只专注于推理,这就很不错了。 因为:
在这篇博文中,我们仔细检查了GPT-3.5系列的能力范围,并追溯了它们所有突现能力的来源。初代GPT-3模型通过预训练获得生成能力、世界知识和in-context learning。然后通过instruction tuning的模型分支获得了遵循指令和能泛化到没有见过的任务的能力。经过代码训练的分支模型则获得了代码理解的能力,作为代码训练的副产品,模型同时潜在地获得了复杂推理的能力。结合这两个分支,code-davinci-002似乎是具有所有强大能力的最强GPT-3.5模型。接下来通过有监督的instruction tuning和 RLHF通过牺牲模型能力换取与人类对齐,即对齐税。RLHF 使模型能够生成更翔实和公正的答案,同时拒绝其知识范围之外的问题。
我们希望这篇文章能够帮助提供一个清晰的GPT评估图,并引发一些关于语言模型、instruction tuning和code tuning的讨论。最重要的是, 我们希望这篇文章可以作为在开源社区内复现GPT-3.5的路线图。
“因为山就在那里。”——乔治·马洛里,珠穆朗玛峰探险先驱
这篇文章中的这些说法更像是假设 (hypothesis) 还是结论 (conclusion)?
为什么其他模型(如 OPT 和 BLOOM)没有那么强大?
英文 | 中文 | 释义 |
---|---|---|
Emergent Ability | 突现能力 | 小模型没有,只在模型大到一定程度才会出现的能力 |
Prompt | 提示词 | 把 prompt 输入给大模型,大模型给出 completion |
In-Context Learning | 上下文学习 | 在 prompt 里面写几个例子,模型就可以照着这些例子做生成 |
Instruction Tuning | 指令微调 | 用 instruction 来 fine-tune 大模型 |
Code Tuning | 在代码上微调 | 用代码来 fine-tune 大模型 |
Reinforcement Learning with Human Feedback (RLHF) | 基于人类反馈的强化学习 | 让人给模型生成的结果打分,用人打的分来调整模型 |
Chain-of-Thought | 思维链 | 在写 prompt 的时候,不仅给出结果,还要一步一步地写结果是怎么推出来的 |
Scaling Laws | 缩放法则 | 模型的效果的线性增长要求模型的大小指数增长 |
Alignment | 与人类对齐 | 让机器生成复合人类期望的,复合人类价值观的句子 |
审核编辑 :李倩
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