算法工程师深度解构ChatGPT技术

晴川运维 • • ChatGPT

ChatGPT本质是一个对话模型，它可以回答日常问题、进行多轮闲聊，也可以承认错误回复、挑战不正确的问题，甚至会拒绝不适当的请求。在上周公布博文和试用接口后，ChatGPT很快以令人惊叹的对话能力“引爆”网络。

1）ChatGPT的技术背景

ChatGPT目前未释出论文文献，仅释出了介绍博文和试用API。从博文中提供的技术点和示意图来看，它与今年初公布的InstructGPT 核心思想一致。其关键能力来自三个方面：强大的基座大模型能力（InstructGPT），高质量的真实数据（干净且丰富），强化学习（PPO算法）。以上ChatGPT成功的三个要素，具体将在文中第2部分详细展开。
2）ChatGPT的主要特点
让用户印象最深刻的是它有强大的语言理解和生成系统。其对话能力、文本生成能力、对不同语言表述的理解均很出色。它以对话为载体，可以回答多种多样的日常问题，对于多轮对话历史的记忆能力和篇幅增强。其次，与GPT3等大模型相比，ChatGPT回答更全面，可以多角度全方位进行回答和阐述，相较以往的大模型，知识被“挖掘”得更充分。它能降低了人类学习成本和节省时间成本，可以满足人类大部分日常需求，比如快速为人类改写确定目标的文字、大篇幅续写和生成小说、快速定位代码的bug等。

值得一提的事，它具有安全机制和去除偏见能力。下图这类问题在以前的大模型中时常出现，然而ChatGPT在这两点上增加了过滤处理机制。针对不适当的提问和请求，它可以做出拒绝和“圆滑”的回复。例如对于违法行为的提问：
对于未知事物的“拒绝”：
当然ChatGPT并非十全十美，其缺点也比较明显。首先，其简单的逻辑问题错误依旧明显存在，发挥不够稳定（但总体比GPT3好很多）。特别在有对话历史时，它容易因被用户误导而动摇。      
其次，ChatGPT有时会给出看似合理、但并不正确或甚至荒谬的答案。部分答案需要自行甄别才能判断正误，特别当本身用户处于未知状态来咨询模型时，更加无法判断真伪。ChatGPT使得生产者可以用较低成本增加错误信息，而这一固有缺点已经造成了一些实际影响。编程问答网站 StackOverflow 宣布暂时禁止用户发布来自 ChatGPT 生成的内容，网站 mods 表示：看似合理但实际上错误的回复数量太多，已经超过了网站的承受能力。
此外，它抵抗不安全的prompt能力较差，还存在过分猜测用户意图的问题。这主要体现在当用户提问意图不明确时，ChatGPT会猜测用户意图，理想情况应为要求用户澄清；当用户意图不明确时，很大概率给出不合适的回复。大批量的用户反馈，ChatGPT部分回复废话较多、句式固定。它通常过度使用一些常见的短语和句式。这与构造训练数据时，用户倾向于选择更长的回复有关。

ChatGPT的工作原理

1）ChatGPT的训练过程

ChatGPT训练过程很清晰，主要分为三个步骤，示意如图所示：
第一步，使用有监督学习方式，基于GPT3.5微调训练一个初始模型，训练数据约为2w~3w量级（此处为推测量级，我们根据兄弟模型InstructGPT的训练数据量级估算）。由标注师分别扮演用户和聊天机器人，产生人工精标的多轮对话数据。值得注意的是，在人类扮演聊天机器人时，会得到机器生成的一些建议来帮助人类撰写自己的回复，以此提高撰写标注效率。
以上精标的训练数据虽然数据量不大，但质量和多样性非常高，且来自真实世界数据，这是很关键的一点。
第二步，收集相同上文下，根据回复质量进行排序的数据：即随机抽取一大批Prompt，使用第一阶段微调模型，产生多个不同回答：,,…，之后标注人员对k个结果排序，形成组训练数据对。之后使用pairwise loss来训练奖励模型，可以预测出标注者更喜欢哪个输出。“从比较中”学习可以给出相对精确的奖励值。
这一步使得ChatGPT从命令驱动转向了意图驱动。关于这一点，李宏毅老师的原话称，“它会不断引导GPT说人类要他说的”。另外，训练数据不需过多，维持在万量级即可。因为它不需要穷尽所有的问题，只要告诉模型人类的喜好，强化模型意图驱动的能力就行。
第三步，使用PPO强化学习策略来微调第一阶段的模型。这里的核心思想是随机抽取新的Prompt，用第二阶段的Reward Model给产生的回答打分。这个分数即回答的整体reward，进而将此reward回传，由此产生的策略梯度可以更新PPO模型参数。整个过程迭代数次直到模型收敛。
强化学习算法可以简单理解为通过调整模型参数，使模型得到最大的奖励（reward），最大奖励意味着此时的回复最符合人工的选择取向。而对于PPO，我们知道它是2017年OpenAI提出的一种新型的强化学习策略优化的算法即可。它提出了新的目标函数，可以在多个训练步骤实现小批量的更新，其实现简单、易于理解、性能稳定、能同时处理离散/连续动作空间问题、利于大规模训练。
以上三个步骤即ChatGPT的训练过程，合称为文献中提到的RLHF技术。
2）ChatGPT为何成功？
为何三段式的训练方法就可以让ChatGPT如此强大？其实，以上的训练过程蕴含了上文我们提到的关键点，而这些关键点正是ChatGPT成功的原因：
  • 强大的基座模型能力（InstructGPT）
  • 大参数语言模型（GPT3.5）
  • 高质量的真实数据（精标的多轮对话数据和比较排序数据）
  • 性能稳定的强化学习算法（PPO算法）
我们需要注意的是，chatGPT的成功，是在前期大量工作基础上实现的，非凭空产生的“惊雷”。下面我们将针对性阐述：
  • InstructGPT
ChatGPT是InstructGPT的兄弟模型(sibling model)，后者经过训练以遵循Prompt中的指令，从而提供详细的响应。InstructGPT是OpenAI在今年3月在文献 Training language models to follow instructions with human feedback 中提出的工作。其整体流程和以上的ChatGPT流程基本相同，但是在数据收集、基座模型（GPT3 vs GPT 3.5）以及第三步初始化PPO模型时略有不同。
此篇可以视为RLHF 1.0的收官之作。一方面，从官网来看，这篇文章之后暂时没有发布RLHF的新研究，另一方面这篇文章也佐证了Instruction Tuning的有效性。
InstuctGPT的工作与ChatGPT类似：给定Instruction且需要人工写回答。首先工作人员训练了一个InstructGPT的早期版本，使用完全人工标注的数据，分3类：Instruction+Answer、Instruction+多个examples 和用户在使用API过程中提出的需求。从第二类数据的标注，推测ChatGPT可能用检索来提供多个In Context Learning的示例，供人工标注。剩余步骤与以上ChatGPT相同。
尤其需要重视但往往容易被忽视的是，OpenAI对于数据质量和数据泛化性的把控。这也是OpenAI的一大优势：寻找高质量标注者——寻找在识别和回应敏感提示的能力筛选测试中，表现良好的labeler；使用集外标注者保证泛化性——即用未经历以上1）步骤的更广大群体的标注者对训练数据进行验证，保证训练数据与更广泛群体的偏好一致。
在完成以上工作后，我们可以来看看InstuctGPT与GPT3的区别：
   
GPT3的回答简短，回复过于通俗毫无亮点。而InstructGPT“侃侃而谈”，解释自由主义为何愚蠢，显然模型学到了对于此类问题人们更想要的长篇大论的回答。
GPT3只是个语言模型，它被用来预测下一个单词，丝毫没有考虑用户想要的答案；当使用代表用户喜好的三类人工标注为微调数据后，1.3B参数的InstructGPT在多场景下的效果超越175B的GPT3：
InstuctGPT的工作也很有开创性：它在“解锁”（unlock）和挖掘GPT3学到的海量数据中的知识和能力，但这些仅通过快速的In-context的方式较难获得。InstuctGPT找到了一种面向主观任务来挖掘GPT3强大语言能力的方式。
OpenAI博文中有这样一段原话：当我们要解决的安全和对齐问题是复杂和主观，它的好坏无法完全被自动指标衡量的时候，此时需要用人类的偏好来作为奖励信号来微调我们的模型。

  • InstuctGPT的前序工作:GPT与强化学习的结合

       其实在2019年GPT2出世后，OpenAI就有尝试结合GPT-2和强化学习。NeurIPS 2020的 Learning to Summarize with Human Feedback 工作中写道，OpenAI在摘要生成时，利用了从人类反馈中的强化学习来训练。可以从这篇工作的整体流程图中，看出三步走的核心思想：收集反馈数据 -> 训练奖励模型 -> PPO强化学习。
RLHF第一阶段是针对多个候选摘要人工排序（这里就体现出OpenAI的钞能力，按标注时间计费，标注过快的会被开除）；第二阶段是训练排序模型（依旧使用GPT模型)；第三阶段是利用PPO算法学习Policy（在摘要任务上微调过的GPT）。
文中模型可以产生比10倍更大模型容量更好的摘要效果。但文中也同样指出，模型的成功部分归功于增大了奖励模型的规模。但这需要很大量级的计算资源——训练6.7B的强化学习模型需要320 GPU-days的成本。
2020年初的OpenAI的Fine-Tuning GPT-2 from Human Preferences可看出，它同样首先利用预训练模型来训练reward模型，进而使用PPO策略进行强化学习。整体步骤初见ChatGPT的雏形！
而RLHF（reinforcement learning from human feedback ）的思想，是在2017年6月的OpenAI Deep Reinforcement Learning from Human Preferences工作提出的。其核心思想是利用人类的反馈判断最接近视频行为目标的片段；通过训练来找到最能解释人类判断的奖励函数，然后使用RL来学习如何实现这个目标。
可以说，ChatGPT是站在InstructGPT以及以上理论的肩膀上完成的一项出色的工作，它们将LLM（large language model）/PTM(pretrain language model)与RL（reinforcement learning)出色结合证明这条方向可行。当然，这也是未来还将持续发展的NLP甚至通用智能体的方向。

  • PPO

PPO(Proximal Policy Optimization) 一种新型的Policy Gradient算法（Policy Gradient是一种强化学习算法，通过优化智能体的行为策略来解决在环境中实现目标的问题）。我们只需了解普通的Policy Gradient算法对步长十分敏感，但是又难以选择合适的步长。在训练过程中新旧策略的的变化差异如果过大则不利于学习。
而PPO提出了新的目标函数可以在多个训练步骤实现小批量的更新，解决了Policy Gradient算法中步长难以确定的问题。由于其实现简单、性能稳定、能同时处理离散/连续动作空间问题、利于大规模训练等优势，近年来受到广泛关注，成为OpenAI默认强化学习算法。

  • WebGPT和CICERO

近两年，利用LLM+RL以及对强化学习和NLP训练的研究，各大巨头在这个领域做了非常多扎实的工作，而这些成果和ChatGPT一样都有可圈可点之处。这里以OpenAI的WebGPT和Meta的Cicero为例。
WebGPT是2021年底OpenAI的工作。其核心思想是使用GPT3模型强大的生成能力，学习人类使用搜索引擎的一系列行为，通过训练奖励模型来预测人类的偏好，使WebGPT可以自己搜索网页来回答开放域的问题，而产生的答案尽可能满足人类的喜好。
Cicero是Meta AI上个月发布的可以以人类水平玩文字策略游戏的AI系统，。其同样可以与人类互动，可以使用战略推理和自然语言与人类在游戏玩法中进行互动和竞争。Cicero的核心是由一个对话引擎和一个战略推理引擎共同驱动的，而战略推理引擎集中使用了RL，对话引擎与GPT3类似。
Meta原blog中写道：The technology behind CICERO could one day lead to more intelligent assistants in the physical and virtual worlds.
而以上也是我们未来力求突破的方向和愿景：一个真正全方位的智能的文字助手。

ChatGPT应用和思考

1）ChatGPT应用

  • ChatGPT对于文字模态的AIGC应用具有重要意义
它可以依附于对话形态的产品和载体大有空间，包括但不限于内容创作、客服机器人、虚拟人、机器翻译、游戏、社交、教育、家庭陪护等领域。这些或许都将是 ChatGPT 能快速落地的方向。
其中有些方向会涉及到交互的全面改革，比如机器翻译不再是传统的文本输入->实时翻译，而是随时以助手问答的形式出现。甚至给出一个大概笼统的中文意思，让机器给出对应英文。目前我们目前所做的写作产品，可能也会涉及创作模式的改变和革新。

有些方向会全面提升产品质量，比如已存在的客服机器人、虚拟人等。
  • ChatGPT作为文字形态的基础模型，自然可以与其他多模态结合
比如最近同为火热的Stable Diffusion模型，利用ChatGPT生成较佳的Prompt，对于AIGC内容和日趋火热的艺术创作，提供强大的文字形态的动力。
  • ChatGPT对于搜索引擎的代替性：ChatGPT可以作为搜索引擎的有效补充
但至于是否能代替搜索引擎（不少人关注的地方），抛开推理成本不谈，目前只从效果上来说为时尚早。
对于网络有答案的query，抽取就完全能满足，现友商最近就有这样的功能。网络上没有明确答案，即使检索了相关材料（ChatGPT应该还没有这样的功能），也没人能保证生成结果的可信度。
  • ChatGPT本身的升级
与WebGPT的结合对信息进行实时更新，并且对于事实真假进行判断。现在的ChatGPT没有实时更新和事实判断能力，而这如果结合WebGPT的自动搜索能力，让ChatGPT学会自己去海量知识库中探索和学习，预测可能会是GPT-4的一项能力。
还有其他更多方向，包括ChatGPT与最近数理逻辑工作的结合。此处受个人思维所限，无法一一列举。

2）关于ChatGPT的思考

参考上文所述，以及参阅近2年OpenAI GPT语言模型相关的文章，RLHF的方法效果显著，ChatGPT成功的核心也在于基于LLM（Large language model）的RLHF（Reinforcement Learning from Human Feedback）。可以说，RLHF是一个很有希望且有趣的方向；强化学习在即将发布的GPT-4中大概率扮演这关键角色。
结合对于ChatGPT的看法，我们从算法和行业更新角度做出了阐述：
首先，对于ChatGPT的规模目前没有更多信息支撑，所以无法明确如此智能的ChatGPT是在何规模下达成的。
最早的175B的GPT-3代号是Davinci，其他大小的模型有不同的代号。然而自此之后的代号几乎是一片迷雾，不仅没有任何论文，官方的介绍性博客也没有。OpenAI称Davinci-text-002/003是GPT-3.5，而它们均为InstrucGPT类型的模型，ChatGPT是基于其中一个微调模型得到，由此推测ChatGPT可能是千亿模型。
其次，ChatGPT不完全算突破式的创新，是OpenAI一步一步扎实工作积累得到的几乎理所当然的结果，属于这两年业界发展的成果汇总。
大家一般没有机会接触千亿模型（之前有较少开源的千亿模型，GPT-3也是收费的），不了解现在千亿模型的能力边界，对全量微调这个级别的模型也无从估计。以Bert和T5为代表的早期Transformer，和现在的大模型已不是一个量级。事实上11月28日OpenAI上新了text-davinci-003，但几乎没有引起国内任何讨论。如果ChatGPT（11-30发布）不是免费试用，或许也不会引起这么大的反响。
同一时期的工作还有Deepmind的Sparrow和Google的LaMDA，效果与ChatGPT应该不相上下。同样以上提到的WebGPT和Cicero也在国内没有太大的水花。这两年LLM发展已经到了这个层级，或许因为成本或者工程化难度的问题，某种层面上在国内被忽视了。而此次ChatGPT正好找到了好的“曝光点”，一炮而红。
所以，一方面我们要理性看待ChatGPT的成果，但另一方面ChatGPT的出现，会将我们的认识和国外先进思想拉到一条线上，我们应该思考如何利用这些令人激动的最新成果，而其中关键是如何找到适合我们入口的方式。
第三，数据处理不是简单的标注，优秀的数据也是一种极大的优势。除去技术上的考量，OpenAI很少开源数据，显然他们在数据上也下了大功夫，训练语料质量和开源的C4或The Pile不能同日而语。
当然，我们目前核心使用的开源千亿模型，有很多待挖掘的能力。由于其在微调任务中缺乏生成式的对话和问答，某些表现不如ChatGPT也在预料之中。但是对于很多任务来说，配合In-context Learning，这个差距会被进一步缩小。

3）如何借鉴和使用ChatGPT

对于ChatGPT的借鉴和使用，大致可以归类以下四个方向：
  • 直接使用层面
此层面为复用API中效果极佳的部分，直接使用的优势是可以快速实现多粒度多层级功能需求。在很多需求难以定义清晰、数据难以获得的情况下，复用并包装这样的功能一本万利。
当然其缺点也很明显。直接调用成本是极高的，根据GPT3.5(Davinci)的成本推测:1k tokens≈700 words为0.02美元。换算后，一篇2k字的文章直接调用需要0.4人民币。若保守按照日活1w用户、人均10篇文章计算，则每日调用成本为：10000*10*0.4=40000元。虽成本过于高昂，但实现时间最少。
另外，根据Musk Twitter上与OpenAI工作人员的对话，也可以看到每次聊天过程需要几美分的成本，所以ChatGPT直接调用成本极高。
  • 间接使用层面
此层面核心思想是利用OpenAI接口，按照不同需求生成高质量数据，克服现有数据难获得的瓶颈；进而利用现有开源大模型进行数据扩增，这是目前比较切实，实现时间较少，是在时间成本和效果上折中的方式。
  • 思想借鉴
首先，组内目前有初步尝试参考RLHF的方法，如对多候选进行标注、利用得到的标注结果重新微调生成模型、或者增加排序阶段加入RL学习。其次，我们也尝试一些高效调参的方法微调现有大模型。但此条受限于资源尚需评估和确认。
总的来说，将改写从最初的seq2seq，拓展到GPT+Instruction Tuning路径。
实现时间：（1）< (2) < (3)
资源成本：（1）> (3) > (2)
  • 交互升级
将写作整体打造为ChatBot的形式，此核心思想见另一篇关于对话系统报告中的介绍，涉及到交互层面的变革。但ChatGPT的出现和核心技术让形式升级成为可能。随着深度学习和多智能体系统的发展，未来会有多种、多样、多功能的X-Bot出现。

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