OpenAI的神秘Q*項目，已經引爆整個AI社區！

疑似接近AGI，因為巨大計算資源能解決某些數學問題，讓Sam Altman出局董事會的導火索，有毀滅人類風險……這些元素單拎出哪一個來，都足夠炸裂。

無怪乎Q*項目曝出三天后，熱度還在持續上升，已經引起了全網AI大佬的探討。

AI2研究科學家Nathan激動地寫出一篇長文，猜測Q假說應該是關于思想樹+過程獎勵模型。

而且，Q*假說很可能和世界模型有關！

幾小時后，英偉達高級科學家Jim Fan也發出長文分析，跟Nathan的看法不謀而合，略有不同的是，Jim Fan的著重點是和AlphaGo的類比。

對于Q*，Jim Fan發出了如此贊嘆：在我投身人工智能領域的十年中，我從來見過有這么多人對一個算法有如此多的想象！即使它只有一個名字，沒有任何論文、數據或產品。

相比之下，圖靈三巨頭LeCun則認為，提升大LLM可靠性的一個主要挑戰是，利用規劃策略取代自回歸token預測。

幾乎所有頂級實驗室都在這方面進行研究，而Q*則很可能是OpenAI在規劃領域的嘗試。

以及，請忽略那些關于Q*的毫無根據的討論。

對此，Jim Fan深表贊同：擔心「通過Q*實現AGI」是毫無根據的。

「AlphaGo式搜索和LLM的結合，是解決數學和編碼等特定領域的有效方法，同時還能提供基準真相的信號。但在正式探討AGI之前，我們首先需要開發新的方法，將世界模型和具身智能體的能力整合進去。」

Q-Learning忽然大火

兩天前，外媒曝出，OpenAI的神秘Q*項目，已現AGI雛形。

突然間，一項來自1992年的技術——Q-learning，就成為了大家競相追逐的焦點。

簡單來說，Q-learning是一種無模型的強化學習算法，旨在學習特定狀態下某個動作的價值。其最終目標是找到最佳策略，即在每個狀態下采取最佳動作，以最大化隨時間累積的獎勵。

在人工智能領域，尤其是在強化學習中，Q-learning代表了一種重要的方法論。

很快，這個話題引發了各路網友的激烈討論：

斯坦福博士Silas Alberti猜測，它很可能是基于AlphaGo式蒙特卡羅樹搜索token軌跡。下一個合乎邏輯的步驟是以更有原則的方式搜索token樹。這在編碼和數學等環境中尤為合理。

隨后，更多人猜測，Q*指的就是A*算法和Q學習的結合！

甚至有人發現，Q-Learning竟然和ChatGPT成功秘訣之一的RLHF，有著千絲萬縷的聯系！

隨著幾位AI大佬的下場，大家的觀點，愈發不謀而合了。

AI大佬千字長文分析

對于引得眾人好奇無比的Q*假說，AI2研究科學家Nathan Lambert寫了如下一篇長文分析——《Q* 假說：思維樹推理、過程獎勵模型和增強合成數據》。

文章地址：https://www.interconnects.ai/p/q-star

Lambert猜測，如果Q*（Q-Star）是真的，那么它顯然是RL文獻中的兩個核心主題的合成：Q值和A*（一種經典的圖搜索算法）。

A*算法的一個例子

很多天來，坊間關于Q冒出了很多猜測，有一種觀點認為，Q指的是最優策略的值函數，不過在Lambert看來這不太可能，因為OpenAI已經幾乎泄露了所有內容。

Lambert將自己的猜測稱為「錫帽理論」，即Q學習和A*搜索的模糊合并。

所以，正在搜索的是什么？Lambert相信，OpenAI應該是在通過思想樹推理來搜索語言/推理步驟，來做一些強大的事情。

如果僅是如此，為何會引起如此大的震動和恐慌呢？

他覺得Q*被夸大的原因是，它將大語言模型的訓練和使用與Deep RL的核心組件聯系起來，而這些組件，成功實現了AlphaGo的功能——自我博弈和前瞻性規劃。

其中，自我博弈（Self-play）理論是指，智能體可以和跟自己版本略有不同的另一個智能體對戰，來改善游戲玩法，因為它遇到的情況會越來越有挑戰性。

在LLM領域，自我博弈理論看起來就像是AI反饋。

前瞻性規劃（Look-ahead planning），是指使用世界模型來推理未來，并產生更好的行動或輸出。

這種理論基于模型預測控制（MPC）和蒙特卡洛樹搜索（MCTS），前者通常用于連續狀態，后者適用于離散動作和狀態。

https://www.researchgate.net/publication/320003615_MCTSUCT_in_solving_real-life_problems

Lambert之所以做出這種推測，是基于OpenAI和其他公司最近發布的工作。這些工作，回答了這樣兩個問題——

1. 我們如何構建一個我們自己可以搜索的語言表示？

2. 在分隔和有意義的語言塊（而不是整個語言塊）上，我們怎樣才能構建一個價值概念？

如果想明白了這兩個問題，我們就該清楚，應該如何使用用于RLHF的RL方法——我們用RL優化器來微調語言模型，并且通過模塊化獎勵，獲得更高質量的生成（而不是像今天那樣，完整的序列）。

使用LLM進行模塊化推理：思維樹（ToT）提示

現在，讓模型「深呼吸」和「一步步思考」之類的方法，正在擴展到利用并行計算和啟發式進行推理的高級方法上。

思維樹是一種提示語言模型創建推理路徑樹的方法，這些路徑可能會、也可能不會收斂到正確答案。

實現思維樹的關鍵創新，就是推理步驟的分塊，以及提示模型創建新的推理步驟。

思維樹或許是第一個提高推理性能的「遞歸」提示技術，聽起來非常接近人工智能安全所關注的遞歸自我改進模型。

https://arxiv.org/abs/2305.10601

使用推理樹，就可以應用不同的方法來對每個頂點或節點進行評分，或者對最終路徑進行采樣。

它可以基于最一致答案的最小長度，或者需要外部反饋的復雜事物，而這恰恰就把我們帶到了RLHF的方向。

用思維樹玩24點游戲

生成中的細粒度獎勵標簽：過程獎勵模型（PRM）

迄今為止，大多數RLHF，都是通過給模型的整個響應打分而完成的。

但對于具有RL背景的人，這種方法很令人失望，因為它限制了RL方法對文本的每個子組件的值建立聯系的能力。

有人指出，在未來，這種多步驟優化將在多個對話回合的層面上進行，但由于需要有人類或一些提示源參與循環，整個過程仍然很牽強。

這可以很容易地擴展到自我博弈風格的對話上，但很難給出LLM一個目標，讓它轉化為持續改進的自我博弈動態。

畢竟，我們想用LLM做的大多數事情還是重復性任務，并不是像圍棋那樣，需要達到近乎無限的性能上限。

不過，有一種LLM用例，可以自然地抽象為包含的文本塊，那就是分步推理。而最好的例子，就是解決數學問題。

過去6個月內，過程獎勵模型（PRM）一直是RLHF人員熱烈探討的話題。

關于PRM的論文很多，但很少有論文會提到，如何將它們與RL結合使用。

PRM的核心思想，就是為每個推理步驟分配一個分數，而不是一個完整的信息。

OpenAI的論文「Let's Verify Step by Step」中，就有這樣一個例子——

在這個過程中，他們使用的反饋界面長這個樣子，非常有啟發性。

這樣，就可以通過對最大平均獎勵或其他指標進行采樣，而不是僅僅依靠一個分數，對推理問題的生成進行更精細的調整。

使用「N最優采樣」（Best-of-N sampling），即生成一系列次數，并使用獎勵模型得分最高的一次，PRM在推理任務中的表現，要優于標準RM。

（注意，它正是Llama 2中「拒絕采樣」Rejection Sampling的表兄弟。）

而且迄今為止，大多數PRM僅展示了自己在推理時的巨大作用。但如果把它用于訓練進行優化，就會發揮真正的威力。

而為了創建最豐富的優化設置，就需要能夠生成用于評分和學習的多種推理路徑。

這，就是思維樹的用武之地。

人氣極高的數學模型Wizard-LM-Math，就是使用PRM進行訓練的：https://arxiv.org/abs/2308.09583

所以，Q*可能是什么？

Nathan Lambert猜測，Q*似乎正在使用PRM，對ToT推理數據進行評分，然后再使用Offline RL進行優化。

這與現有的RLHF工具沒有太大區別，它們用的是DPO或ILQL等離線算法，這些算法在訓練期間不需要從LLM生成。

RL算法看到的「軌跡」，就是推理步驟的序列，因此，我們得以用多步方式，而不是通過上下文，來執行RLHF。

現有的傳言顯示，OpenAI正在將離線RL用于RLHF，這似乎不是一個很重大的飛躍。

它的復雜性在于要收集正確的提示，讓模型生成出色的推理，而最重要的，就是準確地給數以萬計的響應評分。

而傳聞中的龐大計算資源，就是使用AI而非人類，來給每一步打分。

的確，合成數據才是王道，使用樹而非單一寬度路徑（思維鏈），就可以為以后越來越多的選擇，給出正確答案。

如果傳言是真的，OpenAI和其他模型的差距，無疑會很可怕。

畢竟，現在大多數科技公司，比如谷歌、Anthropic、Cohere等，創建預訓練數據集用的還是過程監督或類似RLAIF的方法，輕易就會耗費數千個GPU小時。

超大規模AI反饋的數據未來

根據外媒The Information的傳言，Ilya Sutskever的突破使OpenAI解決了數據荒難題，這樣就有了足夠的高質量數據來訓練下一代新模型。

而這些數據，就是用計算機生成的數據，而非真實世界的數據。

另外，Ilya多年研究的問題，就是如何讓GPT-4等語言模型解決涉及推理的任務，如數學或科學問題。

Nathan Lambert表示，如果自己猜得沒錯，Q*就是生成的合成推理數據。

通過類似剔除抽樣（根據RM分數進行篩選）的方法，可以選出最優秀的樣本。而通過離線RL，生成的推理可以在模型中得到改進。

對于那些擁有優質大模型和大量算力資源的機構來說，這是一個良性循環。

結合GPT-4給大家的印象，數學、代碼、推理，都應該是最從Q*技術受益的主題。

什么是最有價值的推理token？

許多AI研究者心中永恒的問題是：究竟哪些應用值得在推理計算上花費更多成本？

畢竟，對于大多數任務（如閱讀文章、總結郵件）來說，Q*帶來的提升可能不值一提。

但對于生成代碼而言，使用最佳模型，顯然是值得的。

Lambert表示，自己腦子中有一種根深蒂固的直覺，來自于和周圍人餐桌上的討論——使用RLHF對擴展推理進行訓練，可以提高下游性能，而無需讓模型一步一步思考。

如果Q*中實現了這一點，OpenAI的模型，無疑會顯示出重大的飛躍。

Jim Fan：Q*可能的四大核心要素

Nathan在我之前幾個小時發布了一篇博客，并討論了非常相似的想法：思想樹+過程獎勵模型。他的博客列出了更多的參考文獻，而我更傾向于與AlphaGo的類比。

Jim Fan表示，要理解搜索和學習結合的強大威力，我們需要先回到2016年，這個人工智能歷史上的輝煌時刻。

在重新審視AlphaGo時，可以看到它包含了四個關鍵要素：

1. 策略神經網絡（Policy NN，學習部分）：評估每種走法獲勝的可能性，并挑選好的走法。

2. 價值神經網絡（Value NN，學習部分）：用于評估棋局，從任意合理的布局中預測勝負。

3. 蒙特卡羅樹搜索（MCTS，搜索部分）：利用策略神經網絡模擬從當前位置出發的多種可能的走法，然后匯總這些模擬的結果來決定最有希望的走法。這是一個「慢思考」環節，與大語言模型（LLM）中的快速token采樣形成鮮明對比。

4. 推動整個系統的真實信號：在圍棋中，這個信號就像「誰獲勝」這種二元標簽一樣簡單，由一套固定的游戲規則所決定。你可以把它想象成一種能量源，持續地推動著學習的進程。

那么，這些組件是如何相互作用的呢？

AlphaGo通過自我博弈（即與自己之前的版本對弈）來學習。

隨著自我博弈的持續，策略神經網絡和價值神經網絡都在不斷迭代中得到改善：隨著策略在選擇走法上變得更精準，價值神經網絡也能獲得更高質量的數據進行學習，進而為策略提供更有效的反饋。更強大的策略也有助于MCTS探索出更佳的策略。

這些最終構成了一個巧妙的「永動機」。通過這種方式，AlphaGo能自我提升，最終在2016年以4-1的成績擊敗了人類世界冠軍李世石。僅僅通過模仿人類的數據，人工智能是無法達到超越人類的水平的。

對于Q*來說，又會包含哪四個核心組件呢？

1. 策略神經網絡（Policy NN）：這將是OpenAI內部最強大的GPT，負責實現解決數學問題的思維過程。

2. 價值神經網絡（Value NN）：這是另一個GPT，用來評估每一個中間推理步驟的正確性。

OpenAI在2023年5月發布了一篇名為「Let's Verify Step by Step」的論文，作者包括Ilya Sutskever、John Schulman和Jan Leike等知名大佬。雖然它不像DALL-E或Whisper那樣知名，但卻為我們提供了不少線索。

在論文中，作者提出了「過程監督獎勵模型」（Process-supervised Reward Models，PRM），它為思維鏈中的每一步提供反饋。相對的是「結果監督獎勵模型」（Outcome-supervised Reward Models，ORM），它只對最終的整體輸出進行評估。

ORM是RLHF的原始獎勵模型，但它的粒度太粗，不適合對長響應中的各個部分進行適當的評估。換句話說，ORM在功勞分配方面表現不佳。在強化學習文獻中，我們將ORM稱為「稀疏獎勵」（僅在最后給予一次），而PRM則是「密集獎勵」，能夠更平滑地引導LLM朝我們期望的行為發展。

3. 搜索：不同于AlphaGo的離散狀態和動作，LLM運行在一個復雜得多的空間中（所有合理字符串）。因此，我們需要開發新的搜索方法。

在思維鏈（CoT）的基礎上，研究界已經開發出了一些非線性變體：

- 思維樹（Tree of Thought）：就是將思維鏈和樹搜索結合在一起

- 思維圖（Graph of Thought）：將思維鏈和圖結合，就可以得到一個更為復雜的搜索運算符

4. 真實信號：（幾種可能） 

（a）每個數學問題都有一個已知答案，OpenAI可能已經從現有的數學考試或競賽中收集了大量的數據。

（b）ORM本身可以作為一種真實信號，但這樣可能會被利用，從而「失去維持學習所需的能量」。

（c）形式化驗證系統，如Lean定理證明器，可以把數學問題轉化為編程問題，并提供編譯器反饋。

就像AlphaGo那樣，策略LLM和價值LLM可以通過迭代相互促進進步，并在可能的情況下從人類專家的標注中學習。更優秀的策略LLM將幫助思維樹搜索發現更好的策略，這反過來又能為下一輪迭代收集更優質的數據。

Demis Hassabis之前提到過，DeepMind的Gemini將采用「AlphaGo式算法」來增強推理能力。即使Q*不是我們所想象的那樣，谷歌也一定會用自己的算法迎頭趕上。

Jim Fan表示，以上只是關于推理的部分。目前并沒有跡象表明Q*在寫詩、講笑話或角色扮演方面會更具創造性。本質上，提高創造力是人的事情，因此自然數據仍將勝過合成數據。

是時候解決最后一章了

而深度學習專家Sebastian Raschka對此表示——

如果你出于任何原因，不得不在這個周末學習Q-learning，并且碰巧在你的書架上有一本「Machine Learning with PyTorch and Scikit-Learn」，那么，現在是時候解決最后一章了。