金庸武俠小說(shuō)中有一門(mén)武學(xué)絕技：左右互搏；乃是周伯通在桃花島的地洞里苦練十余年所創(chuàng)武功，初期想法在于左手與右手打架，以自?shī)首詷?lè)。而這種想法不僅能用來(lái)練武功，也能用來(lái)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型，比如前些年風(fēng)靡一時(shí)的生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）。

進(jìn)入現(xiàn)今的大模型 (LLM) 時(shí)代，又有研究者發(fā)現(xiàn)了左右互搏的精妙用法！近日，加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的顧全全團(tuán)隊(duì)提出了一種新方法 SPIN（Self-Play Fine-Tuning），可不使用額外微調(diào)數(shù)據(jù)，僅靠自我博弈就能大幅提升 LLM 的能力。顧全全教授表示：「授之以魚(yú)不如授之以漁：通過(guò)自我博弈微調(diào) (SPIN) 可以讓所有大模型達(dá)到從弱到強(qiáng)的提升！」

這項(xiàng)研究也在社交網(wǎng)絡(luò)引起了不少討論，比如賓夕法尼亞大學(xué)沃頓商學(xué)院的 Ethan Mollick 教授就表示：「更多證據(jù)表明，AI 不會(huì)受限于可供其訓(xùn)練的人類(lèi)創(chuàng)造內(nèi)容的數(shù)量。這篇論文再次表明使用 AI 創(chuàng)造的數(shù)據(jù)訓(xùn)練 AI 可以比僅使用人類(lèi)創(chuàng)造的數(shù)據(jù)獲得更高質(zhì)量的結(jié)果。」

此外，還有許多研究人員對(duì)這一方法感到興奮，并對(duì) 2024 年在相關(guān)方向的進(jìn)展表現(xiàn)出極大期待。顧全全教授向機(jī)器之心表示：「如果你希望訓(xùn)練一個(gè)超越 GPT-4 的大模型，這是一項(xiàng)絕對(duì)值得嘗試的技術(shù)。」

論文地址：https://arxiv.org/pdf/2401.01335.pdf

大型語(yǔ)言模型（LLM）開(kāi)啟了通用人工智能（AGI）的大突破時(shí)代，它能以非凡的能力解決需要復(fù)雜推理和專(zhuān)業(yè)知識(shí)的廣泛任務(wù)。LLM 擅長(zhǎng)的領(lǐng)域包括數(shù)學(xué)推理 / 問(wèn)題求解、代碼生成 / 編程、文本生成、摘要和創(chuàng)意寫(xiě)作等等。

LLM 的一大關(guān)鍵進(jìn)步是訓(xùn)練之后的對(duì)齊過(guò)程，這能讓模型的行為更符合需求，但這個(gè)過(guò)程卻往往依賴(lài)于成本高昂的人類(lèi)標(biāo)注數(shù)據(jù)。經(jīng)典的對(duì)齊方法包括基于人類(lèi)演示的監(jiān)督式微調(diào)（SFT）和基于人類(lèi)偏好反饋的強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RLHF）。

而這些對(duì)齊方法全都需要大量人類(lèi)標(biāo)注數(shù)據(jù)。因此，為了精簡(jiǎn)對(duì)齊過(guò)程，研究人員希望開(kāi)發(fā)出能有效利用人類(lèi)數(shù)據(jù)的微調(diào)方法。

這也是這項(xiàng)研究的目標(biāo)：開(kāi)發(fā)出新的微調(diào)方法，使得微調(diào)后的模型可以繼續(xù)變強(qiáng)，而且這個(gè)微調(diào)過(guò)程無(wú)需使用微調(diào)數(shù)據(jù)集之外的人類(lèi)標(biāo)注數(shù)據(jù)。

實(shí)際上，機(jī)器學(xué)習(xí)社區(qū)一直都很關(guān)注如何在不使用額外訓(xùn)練數(shù)據(jù)的情況下將弱模型提升成強(qiáng)模型，這方面的研究甚至可以追溯至 boosting 算法。也有研究表明，自訓(xùn)練算法可以在混合模型中將弱學(xué)習(xí)器轉(zhuǎn)換成強(qiáng)學(xué)習(xí)器，而無(wú)需額外的標(biāo)注數(shù)據(jù)。但是，要在沒(méi)有外部引導(dǎo)的前提下自動(dòng)提升 LLM 的能力既復(fù)雜又少有研究。這就引出了以下問(wèn)題：

我們能讓 LLM 在沒(méi)有額外人類(lèi)標(biāo)注數(shù)據(jù)的前提下實(shí)現(xiàn)自我提升嗎？

方法

從技術(shù)細(xì)節(jié)上講，我們可以將來(lái)自之前迭代的 LLM 記為 pθt，其對(duì)于人類(lèi)標(biāo)注的 SFT 數(shù)據(jù)集中的 prompt x，可以生成響應(yīng) y'。接下來(lái)的目標(biāo)是找到一個(gè)新的 LLM pθ{t+1}，使其有能力區(qū)分 pθt 生成的響應(yīng) y' 和人類(lèi)給出的響應(yīng) y。

這個(gè)過(guò)程可被看作是一個(gè)兩個(gè)玩家的博弈過(guò)程：主玩家就是新 LLM pθ{t+1}，其目標(biāo)是區(qū)分對(duì)手玩家 pθt 的響應(yīng)以及人類(lèi)生成的響應(yīng)；對(duì)手玩家就是舊 LLM pθt，其任務(wù)是生成與人類(lèi)標(biāo)注的 SFT 數(shù)據(jù)集盡可能相近的響應(yīng)。

新 LLM pθ{t+1} 是通過(guò)微調(diào)舊 LLM pθt 得到的，訓(xùn)練過(guò)程是讓新的 LLM pθ{t+1} 有很好的能力區(qū)分 pθt 生成的響應(yīng) y' 和人類(lèi)給出的響應(yīng) y。而這個(gè)訓(xùn)練不僅讓新的 LLM pθ{t+1} 作為一個(gè)主玩家達(dá)到很好的區(qū)分能力，而且讓新的 LLM pθ{t+1} 作為一個(gè)對(duì)手玩家在下一輪迭代中，給出更對(duì)齊 SFT 數(shù)據(jù)集的響應(yīng)。在下一輪迭代中，新獲得的 LLM pθ{t+1} 會(huì)變成響應(yīng)生成的對(duì)手玩家。

這個(gè)自我博弈的過(guò)程的目標(biāo)是讓 LLM 最終收斂到 pθ?=p_data，使得可能存在的最強(qiáng)大的 LLM 生成的響應(yīng)不再與其之前版本和人類(lèi)生成的響應(yīng)不同。

有趣的是，這個(gè)新方法與 Rafailov et al. 近期提出的直接偏好優(yōu)化（DPO）方法表現(xiàn)出了相似性，但新方法的明顯區(qū)別是采用了自我博弈機(jī)制。也因此，這個(gè)新方法就有了一大顯著優(yōu)勢(shì)：無(wú)需額外的人類(lèi)偏好數(shù)據(jù)。

此外，我們也能明顯看出這種新方法與生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）的相似性，只不過(guò)新方法中的判別器（主玩家）和生成器（對(duì)手）是同一個(gè) LLM 在相鄰兩次迭代后的實(shí)例。

該團(tuán)隊(duì)還對(duì)這個(gè)新方法進(jìn)行了理論證明，結(jié)果表明：當(dāng)且僅當(dāng) LLM 的分布等于目標(biāo)數(shù)據(jù)分布時(shí)，即 p_θ_t=p_data 時(shí)，該方法可以收斂。

實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè)基于 Mistral-7B 微調(diào)后的 LLM 實(shí)例 zephyr-7b-sft-full。

結(jié)果表明，新方法能在連續(xù)迭代中持續(xù)提升 zephyr-7b-sft-full，而作為對(duì)比，當(dāng)在 SFT 數(shù)據(jù)集 Ultrachat200k 上使用 SFT 方法持續(xù)訓(xùn)練時(shí)，評(píng)估分?jǐn)?shù)則會(huì)達(dá)到性能瓶頸，甚至出現(xiàn)下降情況。

更有趣的是，新方法使用的數(shù)據(jù)集只是 Ultrachat200k 數(shù)據(jù)集的一個(gè) 50k 大小的子集！

新方法 SPIN 還有另一項(xiàng)成就：可有效地將 HuggingFace Open LLM 排行榜中基礎(chǔ)模型 zephyr-7b-sft-full 的平均分?jǐn)?shù)從 58.14 提升至 63.16，其中在 GSM8k 和 TruthfulQA 上能有超過(guò) 10% 的驚人提升，在 MT-Bench 上也可從 5.94 提升至 6.78。

值得注意的是，在 Open LLM 排行榜上，使用 SPIN 微調(diào)的模型甚至能與再使用額外 62k 偏好數(shù)據(jù)集訓(xùn)練的模型媲美。

結(jié)論

通過(guò)充分利用人類(lèi)標(biāo)注數(shù)據(jù)，SPIN 讓大模型靠自我博弈從弱變強(qiáng)。與基于人類(lèi)偏好反饋的強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RLHF）相比，SPIN 使 LLM 能夠在沒(méi)有額外人類(lèi)反饋或者更強(qiáng)的 LLM 反饋的情況下自我改進(jìn)。在包含 HuggingFace Open LLM 排行榜的多個(gè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集實(shí)驗(yàn)上，SPIN 顯著且穩(wěn)定地提高了 LLM 的性能，甚至超過(guò)了使用額外 AI 反饋訓(xùn)練的模型。

我們期待 SPIN 可以助力大模型的進(jìn)化和提升，并最終實(shí)現(xiàn)超越人類(lèi)水平的人工智能。