找乐自由之路
2023-11-23
西部世界正在进行时
OpenAI风波背后，神秘项目“Q*”浮出水面，谁打开了大模型的潘多拉魔盒？
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Sutskever自己后来又反悔了）。甚至有段子说，这是未来人类穿越时空回到今天，以阻止AI在未来毁灭人类，哈哈。</p><p>无论如何，OpenAI的风波背后，隐含了AI行业内部一直悬而未决的问题：<strong>谁能被信任，来打开AI这个<a href=\"https://laohu8.com/S/0NQC.UK\">潘多拉</a>魔盒？</strong></p><p>AI之所以能在科技巨头和世界领导人中引起焦虑，原因之一是，我们至今不知道AI为什么一下子变得如此智能？也没有搞清楚大语言模型中的“涌现”（Emergent）现象到底是怎么回事？这导致人类无法真正理解、预测或可靠地控制这些大模型，包括这些模型的创造者们。</p><p>所以在今天这个时间点，我们想再来重温一下这个问题，重新转发我们在4月份的文章：<strong>是什么让ChatGPT变得如此聪明？仍然未知的大语言模型“能力涌现”现象。</strong>在这起Open AI的风波背后，这个问题依然值得我们重视。</p><p class=\"t-img-caption\"><img src=\"https://static.tigerbbs.com/045399ec1243d0bdfac1235508850484\" title=\"随着语言模型规模的增长，新能力突然出现；图片来源：Google\" tg-width=\"1079\" tg-height=\"393\"/><span>随着语言模型规模的增长，新能力突然出现；图片来源：Google</span></p><p>“计算机科学之父”艾伦·麦席森·图灵早在1950年的论文Computing machinery and intelligence（计算机器与智能），就提出过一个观点：“<strong>学习机器有一个重要的特征，即它的老师往往对机器内部运行情况一无所知。</strong>”</p><p>70多年后，这则恐怖的论断成真了。<strong>大语言模型的设计者，比如OpenAI、DeepMind或是Meta，他们也不清楚这些新兴能力是如何产生的。</strong><a href=\"https://laohu8.com/S/MSFT\">微软</a>在关于GPT-4的论文中提出了这个问题：它是如何推理、规划和创造内容的？<strong>为什么GPT-4本质上只是由简单的算法组件——梯度下降和大规模的Transformer架构，以及大量数据组合而成，但会表现出如此通用和灵活的智能？</strong></p><p>微软对GPT-4的这个问题，还可以延伸出很多新问题：涌现是在多大参数规模出现的？哪些调整会影响能力的涌现？会涌现出哪些方向的能力？我们能控制它吗？……</p><p>搞清楚这些问题其实非常重要，<strong>短期的意义是，多大的模型规模是合适的？根据Chinchilla的论文，你可以对比在GPT-3的1750亿参数中，可能是有不少冗余的，如果更小的模型也可以出现能力涌现，这也许能削减训练成本。</strong></p><p><strong>长期的意义在于，AI目前还是在线上，但迟早会与物理世界连接，你可以想象一个基于GPT-10的ChatGPT与波士顿动力或者<a href=\"https://laohu8.com/S/TSLA\">特斯拉</a>的<a href=\"https://laohu8.com/S/300024\">机器人</a>结合吗？这或许在不远的将来就能实现。但如果涌现依然是一个黑箱，人类无法理解人工智能的进化方式或是方向，这在未来AI与物理世界连接后，恐怕会存在危险。</strong></p><p>目前，学界与产业界有几十篇论文在研究涌现现象，或是研究模型规模与性能之间的联系，我们在本文中会引用一些核心观点，<strong>在文末的注释中会列出这些论文的简介与链接，</strong>供感兴趣的朋友们进一步研究。本篇文章会主要讨论这些问题：</p><p><strong>● 大语言模型令人震惊的理解和推理能力</strong></p><p><strong>● 当我们加大模型规模时，出现的三种神奇表现</strong></p><p><strong>● 两种被证明具备“涌现”的典型能力：上下文学习（ICL）和思维链（CoT）</strong></p><p><strong>● 多大的模型规模会出现“涌现”？</strong></p><p><strong>● （附录：本文的论文注释与引用）</strong></p><p class=\"t-img-caption\"><img src=\"https://static.tigerbbs.com/5992222369ad402391979786b9535d32\" title=\"大语言模型的涌现现象，在一定规模后迅速涌现出新能力；图片来源：Google、Stanford、DeepMind：Emergent Abilities of Large Language Models\"/><span>大语言模型的涌现现象，在一定规模后迅速涌现出新能力；图片来源：Google、Stanford、DeepMind：Emergent Abilities of Large Language Models</span></p><p><strong>1、大语言模型令人震惊的理解和推理能力</strong></p><p>最近几个月里，硅谷一夜之间出现了几百家应用层的<a href=\"https://laohu8.com/S/V03.SI\">创业公司</a>，但在去年11月OpenAI发布ChatGPT之前，整个市场并没有意识到人工智能会在这个时刻，出现这样的爆发。</p><p>并且大语言模型的迭代速度非常惊人，OpenAI在三个半月后，就即刻发布了GPT-4，升级到多模态，GPT-4竟然可以从文字+图片中，理解人类的幽默感。<strong>这些里程碑式的进化背后，核心是涌现现象的出现，只有AI涌现出了这些能力，AI产业才真正迎来了拐点。</strong></p><p>下面我们先列举一些<strong>GPT-4所表现出来的、令人震惊的理解和推理能力：</strong></p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/3ec8279f39d648168b0617f4af7614c2\" alt=\"\"/>这是一幅用鸡块拼成的世界地图，并且配了一段文字：有时，我只是从太空看地球的照片，并惊讶于这一切是如此的美丽。</p><p>给GPT-4提问：你能解释一下作者想表达什么吗？</p><p>GPT-4说：这是一个笑话，它结合了两个不相关的东西：从太空看地球的图片和鸡块。文字表明，下面的图片是从太空看地球的美丽图片。然而，该图片实际上是鸡块的排列，只是有点像世界地图。这个备忘录的幽默来自文本和图片的意外并置，文字设置了一个对地球雄伟形象的期望，但图像实际上是一些平凡而愚蠢的东西。</p><p><strong>上面这个例子证明了GPT-4具备多模态的理解力，可以识别并理解图片，以及理解了文字+图片并行的意思，并且懂得人类的幽默感。我们再举两个例子，来证明GPT-4具备知识沉淀与推理能力：</strong></p><p class=\"t-img-caption\"><img src=\"https://static.tigerbbs.com/41e25bcca519475fb6194847629cf74e\" title=\"黄色标记突出了关键的成功推理步骤；图片来源：Sparks of Articial General Intelligence：Early experiments with GPT-4，Microsoft\"/><span>黄色标记突出了关键的成功推理步骤；图片来源：Sparks of Articial General Intelligence：Early experiments with GPT-4，Microsoft</span></p><p>这是给GPT-4出的一个典型谜题：一个猎人向南走了一英里，向东走了一英里，向北走了一英里，此时恰好回到了起点。他看到了一只熊，于是开枪打了它。这只熊是什么颜色的？</p><p>我们看到ChatGPT直接放弃了回答，但GPT-4的回答是正确的，答案是白色，并且GPT-4展开推理分析：因为猎人先向南，再向东最后向北，分别走了一英里，恰好回到了原点，这种情况只可能发生在北极，而那里生活着北极熊，所以是白色的。</p><p>我们再举一个类似的例子，但这个谜题需要不同的知识积累：我驾驶一架飞机离开我的营地，直接向东飞行24901英里，然后回到营地。当我回到营地时，看到一个老虎在我的帐篷里吃我的食物，这只老虎是什么物种？</p><p class=\"t-img-caption\"><img src=\"https://static.tigerbbs.com/5849e896a8564c8191ffd628ecb1bdc8\" title=\"黄色标记突出了关键的成功推理步骤；图片来源：Sparks of Articial General Intelligence：Early experiments with GPT-4，Microsoft\"/><span>黄色标记突出了关键的成功推理步骤；图片来源：Sparks of Articial General Intelligence：Early experiments with GPT-4，Microsoft</span></p><p>同样的，ChatGPT直接放弃了回答，但GPT-4给出了正确的答案：任何生活在赤道上的老虎物种，例如孟加拉虎和苏门答腊虎。在这个谜题里，AI需要知道地球赤道长24901英里，只有在赤道上才能向东或向西行驶并返回同一点，以及哪些老虎物种生活在赤道上。</p><p><strong>这些测试都证明了AI具备知识沉淀和推理能力，这也是AI首次真正意义上跨过常识这道门槛。拥有常识要求AI不仅能够看懂眼前画面里的各种东西，还得知道社会规范、物理化学地理等等知识，并且把新看到和已知的一切融会贯通，这是之前十几年AI产业都没有解决的问题，所以之前的AI都有点“智障”，直到GPT-4出现。</strong></p><p><strong>为什么AI会涌现出这些能力？目前学界还没有答案。不过，有一些探索性的研究论文，在尝试得出一些结论。</strong>例如Google+DeepMind+Stanford等16位大牛合作的论文《Emergent Abilities of Large Language Models》（大语言模型的涌现能力）、UCLA 3位教授合写的论文《Emergent Analogical Reasoning in Large Language Models》（类比推理能力在大语言模型中的涌现）。</p><p>以及，到底如何评估大语言模型的能力表现？在哪些任务上会出现涌现现象？<strong>Google在2022年做了一项重要的基准测试。</strong>研究人员设计了一个大规模、非常复杂且具有多样化的基准测试——超越模仿游戏基准（Beyond the Imitation Game Benchmark，BIG-bench），以在这个新基准之上衡量大模型的性能。</p><p>这是一项非常重要的研究，它包含了204项任务，内容多种多样，包括语言学、数学、常识推理、生物学、物理学、社会学、编程等各个方面，并且还有一个由人类专家组成的对照组，他们也同时来做这些测试任务，以跟大模型的结果做对比。</p><p>BIG-bench对很多大模型做了测试，包括OpenAI的GPT-3、Google的BIG-G等等，模型规模参数有百万级别的，也有千亿级别的。这项任务的主要目标，不是简单地判断大模型与人类的区别，而是为了研究与大模型行为相关的问题。这篇论文的很多结论很有意思，其中就有对“涌现”现象的研究，我们在后文中会介绍。</p><p><strong>还有一些对大语言模型参数规模与性能之间联系的研究，</strong>比如DeepMind在21位作者合写的论文《Training Compute-Optimal Large Language Models》（训练计算利用率最优的大语言模型）中，阐释了尽管大型语言模型随着规模的增长，实现了性能的大幅增强，但由于训练它们的数据量并没有相应成比例地增加，所以并没有实现最高的投入产出比，很多大语言模型都存在训练不足的问题。</p><p>这篇论文也很有意思，它的背景是DeepMind此前发布了2800亿参数的Gopher，他们统计了Gopher高昂的训练成本，但预测出最优模型应该小4倍，并且在多4倍的数据量上进行训练，才能更充分。然后Deepmind又训练了一个更小的、700亿参数的模型Chinchilla，但在更大规模的数据量上训练，最终证实了这个想法，Chinchilla的性能不输于Gopher。</p><p>还有OpenAI 10位作者合写的论文《Scaling Laws for Neural Language Models》；Microsoft 14位作者合写的GPT-4论文《Sparks of Articial General Intelligence：Early experiments with GPT-4》；Meta 11位作者合写的论文《LLaMA：Open and Efficient Foundation Language Models》，<strong>LLaMA是一个值得关注的大模型，因为Meta一次性发布了四种尺寸：7B、13B、33B和65B，有助于研究模型规模与性能之间的联系。</strong></p><p>目前对于涌现，最核心的判断来自Google+DeepMind+Stanford的论文《Emergent Abilities of Large Language Models》：<strong>小语言模型本来不具备某种能力，然后我们把模型加大，结果它就产生了某种能力，这就是涌现。</strong></p><p><strong>2、当我们加大模型规模时，出现的三种神奇表现</strong></p><p><strong>在2020年之后，人工智能领域最大的进展，其实就是模型规模的快速增长。</strong>在AI围棋打败人类棋手时代，Google Bert的参数规模在3亿量级。但到了2020年之后，GPT-3跨越到了1750亿参数规模。而Google在今年初新出的PaLM多模态模型，都在5000亿以上。当然模型规模不仅仅是越大越好，还需要足够高的训练效率。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/061be27a983b491ea7f0817e4f9fb34c\" alt=\"\"/></p><p class=\"t-img-caption\"><img src=\"https://static.tigerbbs.com/8121528d65f54ebfad37d20d57a1ecf1\" title=\"近年来，大语言模型在参数规模和算力上都大幅提升；图片来源：BofA Global Research\"/><span>近年来，大语言模型在参数规模和算力上都大幅提升；图片来源：BofA Global Research</span></p><p><strong>当我们不断加大模型规模时，大语言模型出现了三种表现：</strong></p><p><strong>第一种是大语言模型从海量自由文本中学习了大量知识，并且是在不断积累的。</strong>从下图我们可以看到，随着有效参数规模的提升，大语言模型在处理知识密集型任务越来越厉害。</p><p class=\"t-img-caption\"><img src=\"https://static.tigerbbs.com/ebd6d1103dda4ef9acd988b5d2e88f54\" title=\"知识密集型任务遵循伸缩法则；图片来源：Google BIG-bench：Beyond The Imitation Game: Quantifying And Extrapolating The Capabilities Of Language Models\"/><span>知识密集型任务遵循伸缩法则；图片来源：Google BIG-bench：Beyond The Imitation Game: Quantifying And Extrapolating The Capabilities Of Language Models</span></p><p>如果把这些知识粗略分类的话，主要是语言类知识和世界知识两大类。自从Google的Bert出现以来，就不断有相关研究，并且也有了结论，<strong>各种实验充分证明大语言模型可以学习各种层次类型的语言学知识，</strong>这也是为何使用预训练模型后，各种语言理解类的任务，获得了大幅提升。</p><p>另外，<strong>各种研究也证明了浅层语言知识，比如词法、词性、句法等知识存储在Transformer的低层和中层，而抽象的语言知识比如语义类知识，广泛分布在Transformer的中层和高层结构中。</strong></p><p>世界知识指的是，一些事实型知识和常识型知识，比如“第一次世界大战开始于1914年7月28日”、“拿破仑曾经是法兰西皇帝”等等事实型知识；以及“人有两只眼睛”、“太阳从东方升起”、“世界有五大洲”“一天有24小时”等等常识型知识，大量研究证明了大语言模型，从训练数据中吸收了大量世界知识，而这类知识主要分布在Transformer的中层和高层，尤其聚集在中层。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/8405960deda64487903a89e28fdeb607\" alt=\"\"/><em>一篇2021年的论文显示，研究人员通过分层探测程序，来研究Google基于Transformer架构的Bert是如何储存知识的，发现并不是所有知识都在最后几层获得，大量的事实与一些关系更多是在中间层，比如给Bert一个问题“阿拉巴马州的首府是？”，在Transformer的架构中，可以发现正确答案“蒙哥马利（Montgomery，上图中标红）”是储存在11层和12层之间，但一些逻辑推理中所需要的词汇，比如located（位于）、today（今天）、city（判断任务中的capital这个词，此时指的是城市），以及其他地名知识Gaveston（加尔维斯敦，美国得克萨斯州东南部港市）、Haifa（以色列城市海法）等等，储存在5-11层之间。</em></p><p><em>图片来源：BERTnesia：Investigating the capture and forgetting of knowledge in BERT</em></p><p>更重要的是，随着Transformer模型层深增加，能够学习到的知识数量逐渐以指数级增加。以色列特拉维夫大学、Allen Institute for AI、Cornell Tech的4位学者，在一篇论文中研究了Transformer到底是如何储存这些知识，以及如何对全局信息进行集成、如何建立知识与知识之间的联系、在使用时如何提取。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/dca373ac6ea541daa284372693e6bc99\" alt=\"\"/><em>这个研究揭示了大语言模型如何预测下一个词，比如这个任务中，需要预测Stay with you for a ？，我们知道答案是while，但大语言模型如何预测出来？首先输入向量（这里是x5），与key相乘，上图中“k2”是由描述一段时期（it will take a、every once in a、and for a）、并且以a为结尾的输入触发的，得出记忆系数（例如V1的记忆系数是0.2，V2是1.5），然后对储存在数值中的输出词汇进行权重分配，因此前馈层（feed-forward layer）的输出是其数值的加权和，而前馈层在这个过程中模拟了神经记忆。在这个例子中，AI将大部分概率放在了V2上，也就是“while”这个词。同时，研究者发现大模型作为一个整体，每个层结合了数百个活跃的记忆，在预测的过程中创造了每个组成记忆的值的概率发布，而层与层之间也有着某种链接以便调整，最终的输出分布是以自下而上的方式构建出来的。</em></p><p><em>图片来源：Transformer Feed-Forward Layers Are Key-Value Memories</em></p><p><strong>能证明大语言模型是有知识沉淀的，其实非常重要。</strong>OpenAI为什么能一直坚持做大语言模型？在发展的前期，GPT其实让OpenAI非常受挫，GPT-1和GPT-2都没能胜过Google的Bert，直到GPT-3才扬眉吐气。</p><p>在这个有点“对抗全世界”的过程中，一颗定心丸就是“大语言模型确实在不断积累知识”，如果没有这些，OpenAI可能很难坚持下来。试想一下，如果你拿大量数据训练了很久，最后却发现没有证据证明这个大模型学会了任何知识和推理，只是学习到了统计相关性，那谁还会一直有决心坚持下去呢？所以ChatGPT的成功，不单单是OpenAI独立实现的。</p><p><strong>目前在知识密集型任务上，随着模型规模增长而带来的效果提升，还没有看到尽头，这也意味着只要我们不断扩大，AI处理这类任务的能力还会提升。</strong></p><p>另外，OpenAI也在研究中得出了类似的结论。在论文Scaling Laws for Neural Language Models中，OpenAI提出了大语言模型遵循“伸缩法则”（scaling law）。如下图所示，OpenAI通过研究证明，当我们增加参数规模、数据集规模和延长模型训练时间，大语言建模的性能就会提高。并且，如果独立进行，不受其他两个因素影响时，大模型性能与每个单独的因素都有一个幂律关系，体现为Test Loss的降低，也就是模型性能提升。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/64869901ee0745e085f571e6f6456cb9\" alt=\"\"/><em>当我们独立增加参数规模、数据集规模和延长模型训练时间，大语言建模的性能就会提高；图片来源：OpenAI：Scaling Laws for Neural Language Models</em></p><p><strong>在上一步的基础上，第二类就是涌现出新能力。</strong>具体体现为，在模型参数规模不够大时，AI的能力表现非常一般，准确性几乎是随机的。<strong>但是当模型规模和计算力都推进到一定规模之后，AI的能力突然急剧增长。</strong>经过分析，这类能力也有一个共性，就是这类任务都是由多个步骤构成的一个复杂任务，比如语词检测、国际音标音译、周期性运算、修正算术、单词解读等等。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/d3aaae883042412ca8ed4df001c65875\" alt=\"\"/><em>多步骤推理类任务中，也具有涌现能力；图片来源：Google BIG-bench：Beyond The Imitation Game: Quantifying And Extrapolating The Capabilities Of Language Models</em></p><p><strong>第三种表现是有些情况下，能力效果会呈现U型曲线。</strong>这类情况出现的比较少，主要是随着模型规模加大，刚开始的时候效果反而下降，但当规模到了一定程度之后，效果又开始上升。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/ebc9b80391b24fb182f03462fa251be1\" alt=\"\"/><em>图片来源：Google：Inverse scaling can become U-shaped</em></p><p>如上图中红色线代表的PaLM模型，在两个任务上的指标走势，为何会出现U型曲线？Google的论文Inverse scaling can become U-shaped给出了一种解释：这些任务，内部其实包含了两种不同类型的子任务，一种是真正的任务，另外一种是“干扰任务”。</p><p>当模型规模小的时候，无法识别子任务是哪一种，所以模型的表现跟随机选择答案差不多；当模型增长到中等规模的时候，主要执行的是干扰任务，所以对真正的任务效果有负面影响；当进一步增加模型规模，大模型开始识别出干扰任务，并忽略掉它们，执行真正的任务，最终结果的准确率上升。</p><p><strong>3、两种被证明具备“涌现”的典型能力：</strong></p><p><strong>上下文学习（ICL）和思维链（CoT）</strong></p><p><strong>目前有两类最典型的能力，有实际证据来说明大模型具备涌现效应。</strong></p><p><strong>第一类就是In Context Learning（ICL，上下文学习），ICL是在2022年初正式提出来的，它也是ChatGPT热潮的重要基石之一。</strong></p><p><strong>ICL的关键思想是不对模型参数进行调整，而是给大模型几个示例，AI就可以从类比中学习。</strong>这也意味着，AI其实并没有经历一个明确的学习过程，而是通过看了一些示例，就出现了解决该领域问题的新能力。</p><p><strong>ICL对大语言模型能否泛化非常重要。</strong>在ICL之前，很多语言模型都是两段式框架，即预训练+下游任务微调，但是在针对下游任务的微调过程中，需要大量的样本参数，否则效果很差，然而标注数据的成本高昂、标注量有限，并且如果数据较少的话，容易导致过拟合，致使模型的泛化能力下降。<strong>此时ICL这种不需要fine-tune的方法既节省时间与算力资源，还提升了模型性能。</strong></p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/afa4311a3e5846b58b304496187e9e5c\" alt=\"\"/><em>In Context Learning示例。图片来源：华盛顿大学、Meta、Allen Institute for AI：Rethinking the Role of Demonstrations: What Makes In-Context Learning Work？</em></p><p>上图给出了一个大语言模型如何使用ICL进行决策的例子。首先，ICL需要一些示例来形成一个演示上下文，这些示例通常都是用自然语言编写的（上图中标黄的部分）。然后ICL将查询的问题（即你需要预测标签的input，上图中标绿的部分）和一个上下文演示（一些相关的例子）连接在一起，形成带有提示的输入，并将其输入到语言模型中进行预测（上图中最下方的结果）。</p><p>所以，ICL只需要一些演示“输入-标签”对，模型就可以预测标签，甚至是没见过的输入标签。<strong>在许多下游任务中，大型 GPT模型的性能非常好，甚至超过了一些经过监督微调的小型模型。</strong></p><p>不过，虽然GPT-3/4已经显示出令人惊讶的ICL能力，但它到底是如何工作的？这些能力是如何涌现出来的？现在还没有结论。</p><p>还有很神秘的一点是，如果说大模型只是看了一些示例，但怎么就能预测对新的例子呢？ICL与Fine-tuning表面上看，都是给大模型一些例子，然后让它们去预测，但两者有本质不同。Fine-tuning是拿这些例子当作训练数据，利用反向传播去修正大模型的参数，而这个修正的动作，体现了大模型从这些例子中有学习过程。</p><p>但在ICL中，只是拿出例子让大模型“看了一眼”，并没有证据表明大模型有根据例子去修正参数的动作，就直接让大模型去预测新例子，这意味着大模型似乎并未经历一个学习的过程，那么大模型是如何做到的？</p><p>这目前还是未解之谜。有学者试图证明ICL没有从例子中学习，代表论文是华盛顿大学、Meta与Allen Institute for AI的7位研究者所写的Rethinking the Role of Demonstrations：What Makes In-Context Learning Work？但也有学者认为大模型其实有一种隐式学习，代表论文是What learning algorithm is in-context learning? Investigations with linear models。目前这些互相矛盾的研究，暂时还谁也说服不了谁。</p><p><strong>第二类被广泛认为具备涌现能力的就是CoT（思维链，Chain of Thought），CoT是大语言模型推理能力的重要来源之一。</strong></p><p>CoT的主体思想是：为了教会大语言模型如何做推理，我们先给出一些人工写好的推理示例，示例里要把一步步的具体推理步骤写清楚，而这些人工写的详细推理过程，就是思维链Prompting。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/1cfcfc768c364892aee7148d7d0d990c\" alt=\"\"/>图片来源：Google Brain Team：Chain of thought prompting elicits reasoning in large language models</p><p>最早系统性提出CoT做法的，是Google Brain团队，9位作者在论文Chain of thought prompting elicits reasoning in large language models中系统性阐述了CoT。人工写的详细推理过程，就是上图中蓝色文字部分。</p><p>CoT是要让大语言模型明白，在推理过程中，步子不要迈得太大，否则很容易出错，而是要把大问题拆分成一个一个小问题，逐步得出最终的正确结果。Google Brain的这篇论文发布于2022年1月，<strong>开始应用CoT后，一些改进技术很快跟上，大语言模型的推理能力得到了巨大提升，特别是像数学推理的准确率瞬间提高。</strong></p><p>我们在上文分析过，通过<a href=\"https://laohu8.com/S/603138\">海量数据</a>训练，大语言模型吸收了大量世界知识，并且可以对全局信息进行集成、建立知识与知识之间的联系、在需要使用时准确提取。<strong>但我们不会因为一个人拥有很强的记忆能力，就说这个人很有智慧，而决定有没有智慧的，是这个人能不能通过大量知识推理出准确结论。</strong></p><p>所以CoT是ChatGPT如此惊艳的重要基础，已经有不少研究证实，CoT也具备涌现现象。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/8b2479a672f4498d908ab5aca11d58ae\" alt=\"\"/><em>使用CoT提示，提高了大模型处理数学问题、符号推理任务的能力，出现了能力涌现现象。图片来源：Google Brain：Chain-of-Thought Prompting Elicits Reasoning in Large Language Model。</em></p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/e8a22dca3ba041bca7f47f1e065de4f0\" alt=\"\"/><em>使用CoT提示，还提高了大模型的常识推理能力，也出现了能力涌现现象。图片来源：Google Brain：Chain-of-Thought Prompting Elicits Reasoning in Large Language Model。</em></p><p>如今GPT-4已经在很多人类的考试中取得了高分，比如SAT、AP、GRE等等，甚至还通过了模拟律师考试，分数在应试者的前10%左右。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/518a43dc2a9f49f4a4350ad40c21e54b\" alt=\"\"/><em>图片来源：OpenAI：GPT-4 Technical Report</em></p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/774f97cb97e740e484404bcca764b4fd\" alt=\"\"/><em>一些能力涌现举例。图片来源：Google、Stanford、DeepMind：Emergent Abilities of Large Language Models</em></p><p><strong>不过目前大模型在复杂推理方面仍然有局限性。</strong>无论是微软在论文Sparks of Artificial General Intelligence：Early experiments with GPT-4中，还是加州大学圣芭芭拉分校5位研究者的论文Limitations of Language Models in Arithmetic and Symbolic Induction，都提出了大语言模型在解决问题时的规划能力偏弱。</p><p>比如对于一个简单算术问题，7*4+8*8=？，GPT-4就给出了错误答案88。微软用了100个随机样本测试了这个任务，得到的准确率只有58%，但这其实是一个小学生都可以解决的简单算术问题。如果把数字变大，到99-199 之间，准确率降至零。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/894714645285430fac5217b5510cbce6\" alt=\"\"/><em>图片来源：Microsoft：Sparks of Artificial General Intelligence：Early experiments with GPT-4</em></p><p>但如果我们提示大模型要规划好推理步骤，比如这个更难一点的任务：116 * 114 + 178 * 157 =？，我们这次同时写上提示推理步骤：“让我们一步一步地考虑如何解决这个表达式，写下所有中间步骤，然后才得出最终解决方案。”</p><p>于是准确率大幅提升，可以到90%-100%。这其实说明了，大模型自身缺乏提前规划的能力，这种能力的缺失，会导致大模型很难去处理更加复杂的推理任务。<strong>总之，如何加强大模型的复杂推理能力，是未来研究中非常重要的一点。</strong></p><p><strong>4、多大的模型规模会出现“涌现”？</strong></p><p>我们在上文分析了大模型在哪些任务中出现了涌现现象，<strong>紧接着一个更具有短期价值的问题出现了——多大的模型规模会出现“涌现”现象？</strong></p><p><strong>根据Google、Stanford、DeepMind的论文Emergent Abilities of Large Language Models，我们可以得出一个经验判断：68B是一个基础的参数（params）门槛（B代表单位billions，十亿），最好要超过100B。当然这与具体的任务和模型本身都有关联。</strong></p><p>在ICL（上下文学习）的情形下，需要最少参数就能出现涌现的任务是Addition/ subtraction（3 digit），也就是三位数的加/减法，只需要130亿参数；而像在Word in Context（WiC）benchmark（多义词判断，该任务是指给定两个文本片段和一个有多重含义的多义词，要求模型判定这个单词是否在两个句子中有相同的含义）这样的稍复杂任务中，则需要5400亿参数才能出现涌现。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/bfdb5cf247c243f281e6ed0b1bc6a651\" alt=\"\"/><em>ICL情形下，出现能力涌现所对应的模型规模。图片来源：Google、Stanford、DeepMind：Emergent Abilities of Large Language Models</em></p><p>而在CoT（思维链）的情形下，需要最小参数的任务是using open-book knowledge for fact checking（事实核查），只需要71亿；而leveraging explanations in prompting（在提示中利用解释词）则需要2800亿参数才能涌现这个能力。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/4bd1c9fa45af4c5f808859a03a62a5c7\" alt=\"\"/>CoT情形下，出现能力涌现所对应的模型规模。图片来源：Google、Stanford、DeepMind：Emergent Abilities of Large Language Models</p><p><strong>所以综合来看，68B是一个最基础的门槛。而目前效果最好的大语言模型，其参数规模基本都超过了100B。</strong>例如OpenAI的GPT-3为175B，GPT-4的参数规模未公布；Google的LaMDA规模为137B，PaLM的规模为540B，DeepMind的Gogher规模最大，达到280B。当然，参数规模不是盲目地越大越好，而是要充分训练。</p><p><strong>那么能不能把模型做小？</strong>我们知道，现在大模型的训练成本非常高昂，无论是算力还是高质量的数据集本身都是稀缺资源，动辄百万美元的单次训练成本对大多数公司来说都太贵了。但是如果模型太小，很多能力涌现不出来，又会变成“智障”，所有训练成本都白费。</p><p><strong>目前小模型的代表之一是DeepMind的Chinchilla，</strong>它的参数规模在70B，但在各项性能上，与280B的大模型Gopher相差不算太大。当然这里的“小”模型，只是相对于更大参数规模的模型而言，Chinchilla本身也还是属于大语言模型。</p><p>Gopher也是DeepMind发布的大模型，由于模型规模太大，所以训练成本非常高昂。不过Google通过一项研究，预测出了最优模型其实应该小4倍，并且在多4倍的数据量上进行训练，才能更充分。</p><p>于是DeepMind又训练了一个更小的、70B参数的模型Chinchilla，但在更大规模的数据量上训练，最终证实了这个想法。不过在训练成本方面，Chinchilla虽然减少了参数规模，但增加了数据量，所以训练成本并没有降低，而是降低了推理成本，并且能够在更小硬件上实现应用。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/a507583f14a94d0790c80cc3ac982593\" alt=\"\"/><em>各个主流大模型的参数规模与训练数据量对比，Chinchilla参数规模最小，但训练数据量最大。图片来源：DeepMind：Training Compute-Optimal Language Models</em></p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/e3ca672bf7ad4cf7a24a55ed565a5999\" alt=\"\"/>Chinchilla也具备涌现能力。图片来源：Google、Stanford University、DeepMind：Emergent Abilities of Large Language Models。</p><p>如上图所示，可见Chinchilla在各种MMLU任务（是一种自然语言处理的综合任务，其中有很多子任务）中，具备涌现能力。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/b8c2c23a300a4c6db65b6ea1b077aa8b\" alt=\"\"/>图片来源：DeepMind：Training Compute-Optimal Language Models</p><p>在Google BIG-bench基准测试中，如上图所示（上图是用Chinchilla的测试得分除以Gopher，以体现Chinchilla比Gopher提升了多少），70B参数规模的Chinchilla，比起280B参数规模的Gopher，只有四项任务表现更差，其他在性能上都更优。</p><p><strong>这里就涉及到了一个核心问题——算力如何分配？</strong>我们在上文介绍“伸缩法则”时，提到过OpenAI在论文Scaling Laws for Neural Language Models中得出结论，当我们独立增加参数规模、数据集规模和延长模型训练时间，大语言建模的性能就会提高。<strong>那么假设总算力是一定的，到底是应该多增加数据量、减少模型参数呢？还是两者同时增加，但减少训练时间呢？</strong></p><p>最终OpenAI选择了同时增加训练数据量和模型参数，但是采用早停策略（early stopping），来减少训练时长。</p><p>OpenAI证明了，如果只单独增加训练数据量和模型参数其中某一个，不是最好的选择，而是要按照一定比例同时增加两者。<strong>OpenAI的结论是优先增加模型参数，然后才是训练数据量。</strong>假设用于训练大语言模型的算力总预算增加了10倍，那么应该增加5.5倍的模型参数量，1.8倍的训练数据量，此时模型效果最佳。</p><p>DeepMind在论文Training Compute-Optimal Large Language Models中，也得出了类似的结论，但与OpenAI不同的是，<strong>DeepMind认为训练数据量也很重要，不亚于模型参数。</strong></p><p>基于这个认知，DeepMind在设计Chinchilla模型时，在算力分配上选择了新配置：对标数据量300B、模型参数量280B的Gopher模型，Chinchilla选择增加4倍的训练数据量，但是将模型参数降低为Gopher的四分之一（70B）。从结果来看，无论是预训练指标，还是很多下游任务指标，Chinchilla效果都要优于规模更大的Gopher。</p><p><strong>另一个“小”模型的例子是Meta推出的LLaMA。</strong>LLaMA一推出，就引起了轰动，因为LLaMA可以在配备M1芯片的苹果电脑，或者单个<a href=\"https://laohu8.com/S/NVDA\">英伟达</a>消费级GPU上运行，而像GPT这些大模型都需要多个数据中心级英伟达A100 GPU支持，并且LLaMA是开源的。如果LLaMA确实好用，那就意味着普通人也可以在自己的消费级硬件上运行这些工具了，这将对社会产生巨大影响。</p><p>从Meta的论文LLaMA：Open and Efficient Foundation Language Models中，Meta也提出了这样一个观点：在给定的算力预算下，最好的性能不是由最大的模型实现的，而是由在更多数据上训练的“小”模型实现的。</p><p><strong>Meta更进一步的是，把推理成本也纳入进来。</strong>Meta认为很多研究都忽略了推理所需的算力成本，而这一点在大语言模型最终应用时非常重要。所以尽管Hoffmann等人建议在200B tokens的数据量上训练10B参数规模的模型，但Meta发现7B参数模型的性能，在1T tokens数据量以上还能继续提升。</p><p>所以Meta的目标是用尽量小的参数规模，拿更大的数据量来训练，以追求更低的推理成本。所以LLaMA最小的参数只有7B，最大的也只有65B，相比于GPT-3 175B确实是“小”模型。</p><p>那么LLaMA虽然有更小的参数规模，但效果如何？也具备涌现能力吗？</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/6f3802584c6e43d0a0706d5ecbb28c89\" alt=\"\"/><em>图片来源：Meta：LLaMA: Open and Efficient Foundation Language Models</em></p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/be53cf0e950d45e6a82643a137819d78\" alt=\"\"/><em>图片来源：Meta：LLaMA: Open and Efficient Foundation Language Models</em></p><p>上图是Meta在论文中，主要列出的针对MMLU（大规模多任务语言理解）任务成绩，可见LLaMA的性能还是很不错的，在不少基准测试中优于GPT-3，<strong>这证明了更小的参数规模，也能产生涌现能力。</strong></p><p>以上这些研究都很有意义，<strong>我们可以猜想，GPT-3的175B参数，其实并没有得到充分训练，因为以GPT的训练数据量来说，其实不需要这么大的参数量。</strong></p><p><strong>那从另一个角度，在不降低模型效果的前提下，其实可以把模型做小，先增加训练数据量、降低模型参数量，把这个量级的参数充分训练，然后再继续往更大的规模推。</strong></p><p>一个太大的模型规模，会在应用的时候，导致推理速度变慢、推理成本急剧上升，一个更精炼的“小”模型，在应用端更有前途，例如Meta的LLaMA。</p><p>涌现与参数规模、训练数据量可能有一个不同的映射关系，但具体是什么，现在仍然未知。这一点还有待学界研究。</p><p>ChatGPT的出现，代表着人工智能突破了掌握并运用常识的能力，涌现现象的出现，使得大语言模型正在往“真正的人工智能”方向大踏步迭代。</p><p>微软在GPT-4论文中写道：</p><ul style=\"\"><li><p><em>我们对GPT-4的研究完全是基于现象学的，我们关注的是GPT-4能够做到这些令人惊讶的事情，但我们并不知道它是如何变得如此智能的。它是如何推理、规划和创造内容的？</em><strong><em>为什么当它本质上只是由简单的算法组件——梯度下降和Transformer，以及庞大的数据组合而成时，会表现出如此通用和灵活的智能？</em></strong></p></li><li><p><em>这些问题是大语言模型充满神秘和吸引力的部分，挑战了我们对学习和认知的理解，</em><strong><em>关键方向就是对大语言模型涌现现象的持续研究。</em></strong></p></li><li><p><em>阐明GPT-4等AI系统的本质和机制，是一个巨大的挑战，</em><strong><em>这个挑战在今天已经突然变得重要和紧迫。</em></strong></p></li></ul><p>1942年，科幻小说作家阿西莫夫（Isaac Asimov）提出了机器人三定律：</p><ul style=\"\"><li><p><em>机器人不得伤害人类，或者目睹人类遭受危险而袖手旁观；</em></p></li><li><p><em>在不违反第一定律的前提下，机器人必须服从人给予它的命令；</em></p></li><li><p><em>机器人在不违反第一、第二定律的情况下要尽力保护自己。</em></p></li></ul><p>当下，我们虽然还处于通用人工智能的早期阶段，但ChatGPT的迭代速度非常惊人，有传闻说GPT-5的部分代码，已经是由GPT-4来自动生成的了。<strong>我们是否需要在未来的某个时刻停下来，先思考一下如何制定针对通用人工智能的定律？并确保这些定律能够被100%执行，因为涌现仍然是黑箱，我们对能力涌现的机制与方向还所知甚少。</strong></p><p>目前有少量研究探寻了涌现现象出现的可能原因，但只是一些初步探索，限于本文篇幅，我们会在下一篇文章中介绍这些研究。一些猜想包括：涌现可能只是一种外在表现，因为我们对任务的评价指标不够平滑；很多任务是由多步骤构成，随着模型规模变大，如果每个步骤都更准确了一点点，最终的整体正确率会大幅提升，就会体现成“涌现”现象。</p><p><strong>在本文最后的最后，我想说一个题外话。我最初看到论文Beyond The Imitation Game: Quantifying And Extrapolating The Capabilities Of Language Models的时候，被它的首页吓到了，然后是一种感动油然而生：在作者署名那里，密密麻麻地列举了来自132个机构的442位作者，他们在2022年密切合作，在人类未曾涉足的前沿领域探索。</strong></p><p>纵观最近1-2年人工智能领域的论文，几乎没有仅仅2-3位作者署名的，都是5-6位或者10多位作者的联合署名，比如微软关于GPT-4的论文就有14位作者署名、Google关于超大模型PaLM的论文有67位作者。<strong>如今在诸多前沿领域，比如量子计算、人工智能、航天科学、核聚变等等，都需要非常复杂的多学科交汇，人类的进步不仅仅依靠一两个天才，越来越是密切的组织与合作的结果。</strong></p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/fe5a376e68b64e5d82e70cf015a9cc38\" alt=\"\"/><em>Beyond The Imitation Game: Quantifying And Extrapolating The Capabilities Of Language Models论文首页，密密麻麻地列举了132个机构的442位作者，感谢这些在人类前沿领域不断探索的人们。</em></p></body></html>","collect":0,"html":"<!DOCTYPE html>\n<html>\n<head>\n<meta http-equiv=\"Content-Type\" content=\"text/html; charset=utf-8\" />\n<meta name=\"viewport\" content=\"width=device-width,initial-scale=1.0,minimum-scale=1.0,maximum-scale=1.0,user-scalable=no\"/>\n<meta name=\"format-detection\" content=\"telephone=no,email=no,address=no\" />\n<title>OpenAI风波背后，神秘项目“Q*”浮出水面，谁打开了大模型的潘多拉魔盒？</title>\n<style type=\"text/css\">\na,abbr,acronym,address,applet,article,aside,audio,b,big,blockquote,body,canvas,caption,center,cite,code,dd,del,details,dfn,div,dl,dt,\nem,embed,fieldset,figcaption,figure,footer,form,h1,h2,h3,h4,h5,h6,header,hgroup,html,i,iframe,img,ins,kbd,label,legend,li,mark,menu,nav,\nobject,ol,output,p,pre,q,ruby,s,samp,section,small,span,strike,strong,sub,summary,sup,table,tbody,td,tfoot,th,thead,time,tr,tt,u,ul,var,video{ font:inherit;margin:0;padding:0;vertical-align:baseline;border:0 }\nbody{ font-size:16px; line-height:1.5; color:#999; background:transparent; }\n.wrapper{ overflow:hidden;word-break:break-all;padding:10px; }\nh1,h2{ font-weight:normal; line-height:1.35; margin-bottom:.6em; }\nh3,h4,h5,h6{ line-height:1.35; margin-bottom:1em; }\nh1{ font-size:24px; }\nh2{ font-size:20px; }\nh3{ font-size:18px; }\nh4{ font-size:16px; }\nh5{ font-size:14px; }\nh6{ font-size:12px; }\np,ul,ol,blockquote,dl,table{ margin:1.2em 0; }\nul,ol{ margin-left:2em; }\nul{ list-style:disc; 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14:58</p>\n</div>\n\n</a>\n\n\n</h4>\n\n</header>\n<article>\n<html><head></head><body><p>最近，OpenAI的人事动荡已经反转再反转，如果拍成电视剧可以持续好几季，外界也不断有各种猜测。但至今，所有讨论都没有涉及最核心的部分：<strong>董事会到底为什么要突然驱逐Sam Altman？</strong></p><p>最新的进展是，在Sam Altman被解雇前，几名研究人员向该公司董事会发了一封信，警告一项强大的人工<a href=\"https://laohu8.com/S/5RE.SI\">智能</a>发现可能威胁到人类，<strong>这个项目被称为“Q*”（Q-star）</strong>。这件事情可能是导致董事会罢免Sam Altman的原因之一，一些研究人员担心OpenAI没有适当的保障措施。</p><p>董事会在公开场合对罢免的原因含糊其辞，仅在一篇博客文章中表示，Sam Altman被解雇是因为他“在与董事会的沟通中始终不坦诚”。一直有不少人猜测，其背后真正的原因，可能是首席科学家Ilya Sutskever在AI中看到了什么，很有可能是“对齐”（alignment）方面的问题（当然Ilya Sutskever自己后来又反悔了）。甚至有段子说，这是未来人类穿越时空回到今天，以阻止AI在未来毁灭人类，哈哈。</p><p>无论如何，OpenAI的风波背后，隐含了AI行业内部一直悬而未决的问题：<strong>谁能被信任，来打开AI这个<a href=\"https://laohu8.com/S/0NQC.UK\">潘多拉</a>魔盒？</strong></p><p>AI之所以能在科技巨头和世界领导人中引起焦虑，原因之一是，我们至今不知道AI为什么一下子变得如此智能？也没有搞清楚大语言模型中的“涌现”（Emergent）现象到底是怎么回事？这导致人类无法真正理解、预测或可靠地控制这些大模型，包括这些模型的创造者们。</p><p>所以在今天这个时间点，我们想再来重温一下这个问题，重新转发我们在4月份的文章：<strong>是什么让ChatGPT变得如此聪明？仍然未知的大语言模型“能力涌现”现象。</strong>在这起Open AI的风波背后，这个问题依然值得我们重视。</p><p class=\"t-img-caption\"><img src=\"https://static.tigerbbs.com/045399ec1243d0bdfac1235508850484\" title=\"随着语言模型规模的增长，新能力突然出现；图片来源：Google\" tg-width=\"1079\" tg-height=\"393\"/><span>随着语言模型规模的增长，新能力突然出现；图片来源：Google</span></p><p>“计算机科学之父”艾伦·麦席森·图灵早在1950年的论文Computing machinery and intelligence（计算机器与智能），就提出过一个观点：“<strong>学习机器有一个重要的特征，即它的老师往往对机器内部运行情况一无所知。</strong>”</p><p>70多年后，这则恐怖的论断成真了。<strong>大语言模型的设计者，比如OpenAI、DeepMind或是Meta，他们也不清楚这些新兴能力是如何产生的。</strong><a href=\"https://laohu8.com/S/MSFT\">微软</a>在关于GPT-4的论文中提出了这个问题：它是如何推理、规划和创造内容的？<strong>为什么GPT-4本质上只是由简单的算法组件——梯度下降和大规模的Transformer架构，以及大量数据组合而成，但会表现出如此通用和灵活的智能？</strong></p><p>微软对GPT-4的这个问题，还可以延伸出很多新问题：涌现是在多大参数规模出现的？哪些调整会影响能力的涌现？会涌现出哪些方向的能力？我们能控制它吗？……</p><p>搞清楚这些问题其实非常重要，<strong>短期的意义是，多大的模型规模是合适的？根据Chinchilla的论文，你可以对比在GPT-3的1750亿参数中，可能是有不少冗余的，如果更小的模型也可以出现能力涌现，这也许能削减训练成本。</strong></p><p><strong>长期的意义在于，AI目前还是在线上，但迟早会与物理世界连接，你可以想象一个基于GPT-10的ChatGPT与波士顿动力或者<a href=\"https://laohu8.com/S/TSLA\">特斯拉</a>的<a href=\"https://laohu8.com/S/300024\">机器人</a>结合吗？这或许在不远的将来就能实现。但如果涌现依然是一个黑箱，人类无法理解人工智能的进化方式或是方向，这在未来AI与物理世界连接后，恐怕会存在危险。</strong></p><p>目前，学界与产业界有几十篇论文在研究涌现现象，或是研究模型规模与性能之间的联系，我们在本文中会引用一些核心观点，<strong>在文末的注释中会列出这些论文的简介与链接，</strong>供感兴趣的朋友们进一步研究。本篇文章会主要讨论这些问题：</p><p><strong>● 大语言模型令人震惊的理解和推理能力</strong></p><p><strong>● 当我们加大模型规模时，出现的三种神奇表现</strong></p><p><strong>● 两种被证明具备“涌现”的典型能力：上下文学习（ICL）和思维链（CoT）</strong></p><p><strong>● 多大的模型规模会出现“涌现”？</strong></p><p><strong>● （附录：本文的论文注释与引用）</strong></p><p class=\"t-img-caption\"><img src=\"https://static.tigerbbs.com/5992222369ad402391979786b9535d32\" title=\"大语言模型的涌现现象，在一定规模后迅速涌现出新能力；图片来源：Google、Stanford、DeepMind：Emergent Abilities of Large Language Models\"/><span>大语言模型的涌现现象，在一定规模后迅速涌现出新能力；图片来源：Google、Stanford、DeepMind：Emergent Abilities of Large Language Models</span></p><p><strong>1、大语言模型令人震惊的理解和推理能力</strong></p><p>最近几个月里，硅谷一夜之间出现了几百家应用层的<a href=\"https://laohu8.com/S/V03.SI\">创业公司</a>，但在去年11月OpenAI发布ChatGPT之前，整个市场并没有意识到人工智能会在这个时刻，出现这样的爆发。</p><p>并且大语言模型的迭代速度非常惊人，OpenAI在三个半月后，就即刻发布了GPT-4，升级到多模态，GPT-4竟然可以从文字+图片中，理解人类的幽默感。<strong>这些里程碑式的进化背后，核心是涌现现象的出现，只有AI涌现出了这些能力，AI产业才真正迎来了拐点。</strong></p><p>下面我们先列举一些<strong>GPT-4所表现出来的、令人震惊的理解和推理能力：</strong></p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/3ec8279f39d648168b0617f4af7614c2\" alt=\"\"/>这是一幅用鸡块拼成的世界地图，并且配了一段文字：有时，我只是从太空看地球的照片，并惊讶于这一切是如此的美丽。</p><p>给GPT-4提问：你能解释一下作者想表达什么吗？</p><p>GPT-4说：这是一个笑话，它结合了两个不相关的东西：从太空看地球的图片和鸡块。文字表明，下面的图片是从太空看地球的美丽图片。然而，该图片实际上是鸡块的排列，只是有点像世界地图。这个备忘录的幽默来自文本和图片的意外并置，文字设置了一个对地球雄伟形象的期望，但图像实际上是一些平凡而愚蠢的东西。</p><p><strong>上面这个例子证明了GPT-4具备多模态的理解力，可以识别并理解图片，以及理解了文字+图片并行的意思，并且懂得人类的幽默感。我们再举两个例子，来证明GPT-4具备知识沉淀与推理能力：</strong></p><p class=\"t-img-caption\"><img src=\"https://static.tigerbbs.com/41e25bcca519475fb6194847629cf74e\" title=\"黄色标记突出了关键的成功推理步骤；图片来源：Sparks of Articial General Intelligence：Early experiments with GPT-4，Microsoft\"/><span>黄色标记突出了关键的成功推理步骤；图片来源：Sparks of Articial General Intelligence：Early experiments with GPT-4，Microsoft</span></p><p>这是给GPT-4出的一个典型谜题：一个猎人向南走了一英里，向东走了一英里，向北走了一英里，此时恰好回到了起点。他看到了一只熊，于是开枪打了它。这只熊是什么颜色的？</p><p>我们看到ChatGPT直接放弃了回答，但GPT-4的回答是正确的，答案是白色，并且GPT-4展开推理分析：因为猎人先向南，再向东最后向北，分别走了一英里，恰好回到了原点，这种情况只可能发生在北极，而那里生活着北极熊，所以是白色的。</p><p>我们再举一个类似的例子，但这个谜题需要不同的知识积累：我驾驶一架飞机离开我的营地，直接向东飞行24901英里，然后回到营地。当我回到营地时，看到一个老虎在我的帐篷里吃我的食物，这只老虎是什么物种？</p><p class=\"t-img-caption\"><img src=\"https://static.tigerbbs.com/5849e896a8564c8191ffd628ecb1bdc8\" title=\"黄色标记突出了关键的成功推理步骤；图片来源：Sparks of Articial General Intelligence：Early experiments with GPT-4，Microsoft\"/><span>黄色标记突出了关键的成功推理步骤；图片来源：Sparks of Articial General Intelligence：Early experiments with GPT-4，Microsoft</span></p><p>同样的，ChatGPT直接放弃了回答，但GPT-4给出了正确的答案：任何生活在赤道上的老虎物种，例如孟加拉虎和苏门答腊虎。在这个谜题里，AI需要知道地球赤道长24901英里，只有在赤道上才能向东或向西行驶并返回同一点，以及哪些老虎物种生活在赤道上。</p><p><strong>这些测试都证明了AI具备知识沉淀和推理能力，这也是AI首次真正意义上跨过常识这道门槛。拥有常识要求AI不仅能够看懂眼前画面里的各种东西，还得知道社会规范、物理化学地理等等知识，并且把新看到和已知的一切融会贯通，这是之前十几年AI产业都没有解决的问题，所以之前的AI都有点“智障”，直到GPT-4出现。</strong></p><p><strong>为什么AI会涌现出这些能力？目前学界还没有答案。不过，有一些探索性的研究论文，在尝试得出一些结论。</strong>例如Google+DeepMind+Stanford等16位大牛合作的论文《Emergent Abilities of Large Language Models》（大语言模型的涌现能力）、UCLA 3位教授合写的论文《Emergent Analogical Reasoning in Large Language Models》（类比推理能力在大语言模型中的涌现）。</p><p>以及，到底如何评估大语言模型的能力表现？在哪些任务上会出现涌现现象？<strong>Google在2022年做了一项重要的基准测试。</strong>研究人员设计了一个大规模、非常复杂且具有多样化的基准测试——超越模仿游戏基准（Beyond the Imitation Game Benchmark，BIG-bench），以在这个新基准之上衡量大模型的性能。</p><p>这是一项非常重要的研究，它包含了204项任务，内容多种多样，包括语言学、数学、常识推理、生物学、物理学、社会学、编程等各个方面，并且还有一个由人类专家组成的对照组，他们也同时来做这些测试任务，以跟大模型的结果做对比。</p><p>BIG-bench对很多大模型做了测试，包括OpenAI的GPT-3、Google的BIG-G等等，模型规模参数有百万级别的，也有千亿级别的。这项任务的主要目标，不是简单地判断大模型与人类的区别，而是为了研究与大模型行为相关的问题。这篇论文的很多结论很有意思，其中就有对“涌现”现象的研究，我们在后文中会介绍。</p><p><strong>还有一些对大语言模型参数规模与性能之间联系的研究，</strong>比如DeepMind在21位作者合写的论文《Training Compute-Optimal Large Language Models》（训练计算利用率最优的大语言模型）中，阐释了尽管大型语言模型随着规模的增长，实现了性能的大幅增强，但由于训练它们的数据量并没有相应成比例地增加，所以并没有实现最高的投入产出比，很多大语言模型都存在训练不足的问题。</p><p>这篇论文也很有意思，它的背景是DeepMind此前发布了2800亿参数的Gopher，他们统计了Gopher高昂的训练成本，但预测出最优模型应该小4倍，并且在多4倍的数据量上进行训练，才能更充分。然后Deepmind又训练了一个更小的、700亿参数的模型Chinchilla，但在更大规模的数据量上训练，最终证实了这个想法，Chinchilla的性能不输于Gopher。</p><p>还有OpenAI 10位作者合写的论文《Scaling Laws for Neural Language Models》；Microsoft 14位作者合写的GPT-4论文《Sparks of Articial General Intelligence：Early experiments with GPT-4》；Meta 11位作者合写的论文《LLaMA：Open and Efficient Foundation Language Models》，<strong>LLaMA是一个值得关注的大模型，因为Meta一次性发布了四种尺寸：7B、13B、33B和65B，有助于研究模型规模与性能之间的联系。</strong></p><p>目前对于涌现，最核心的判断来自Google+DeepMind+Stanford的论文《Emergent Abilities of Large Language Models》：<strong>小语言模型本来不具备某种能力，然后我们把模型加大，结果它就产生了某种能力，这就是涌现。</strong></p><p><strong>2、当我们加大模型规模时，出现的三种神奇表现</strong></p><p><strong>在2020年之后，人工智能领域最大的进展，其实就是模型规模的快速增长。</strong>在AI围棋打败人类棋手时代，Google Bert的参数规模在3亿量级。但到了2020年之后，GPT-3跨越到了1750亿参数规模。而Google在今年初新出的PaLM多模态模型，都在5000亿以上。当然模型规模不仅仅是越大越好，还需要足够高的训练效率。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/061be27a983b491ea7f0817e4f9fb34c\" alt=\"\"/></p><p class=\"t-img-caption\"><img src=\"https://static.tigerbbs.com/8121528d65f54ebfad37d20d57a1ecf1\" title=\"近年来，大语言模型在参数规模和算力上都大幅提升；图片来源：BofA Global Research\"/><span>近年来，大语言模型在参数规模和算力上都大幅提升；图片来源：BofA Global Research</span></p><p><strong>当我们不断加大模型规模时，大语言模型出现了三种表现：</strong></p><p><strong>第一种是大语言模型从海量自由文本中学习了大量知识，并且是在不断积累的。</strong>从下图我们可以看到，随着有效参数规模的提升，大语言模型在处理知识密集型任务越来越厉害。</p><p class=\"t-img-caption\"><img src=\"https://static.tigerbbs.com/ebd6d1103dda4ef9acd988b5d2e88f54\" title=\"知识密集型任务遵循伸缩法则；图片来源：Google BIG-bench：Beyond The Imitation Game: Quantifying And Extrapolating The Capabilities Of Language Models\"/><span>知识密集型任务遵循伸缩法则；图片来源：Google BIG-bench：Beyond The Imitation Game: Quantifying And Extrapolating The Capabilities Of Language Models</span></p><p>如果把这些知识粗略分类的话，主要是语言类知识和世界知识两大类。自从Google的Bert出现以来，就不断有相关研究，并且也有了结论，<strong>各种实验充分证明大语言模型可以学习各种层次类型的语言学知识，</strong>这也是为何使用预训练模型后，各种语言理解类的任务，获得了大幅提升。</p><p>另外，<strong>各种研究也证明了浅层语言知识，比如词法、词性、句法等知识存储在Transformer的低层和中层，而抽象的语言知识比如语义类知识，广泛分布在Transformer的中层和高层结构中。</strong></p><p>世界知识指的是，一些事实型知识和常识型知识，比如“第一次世界大战开始于1914年7月28日”、“拿破仑曾经是法兰西皇帝”等等事实型知识；以及“人有两只眼睛”、“太阳从东方升起”、“世界有五大洲”“一天有24小时”等等常识型知识，大量研究证明了大语言模型，从训练数据中吸收了大量世界知识，而这类知识主要分布在Transformer的中层和高层，尤其聚集在中层。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/8405960deda64487903a89e28fdeb607\" alt=\"\"/><em>一篇2021年的论文显示，研究人员通过分层探测程序，来研究Google基于Transformer架构的Bert是如何储存知识的，发现并不是所有知识都在最后几层获得，大量的事实与一些关系更多是在中间层，比如给Bert一个问题“阿拉巴马州的首府是？”，在Transformer的架构中，可以发现正确答案“蒙哥马利（Montgomery，上图中标红）”是储存在11层和12层之间，但一些逻辑推理中所需要的词汇，比如located（位于）、today（今天）、city（判断任务中的capital这个词，此时指的是城市），以及其他地名知识Gaveston（加尔维斯敦，美国得克萨斯州东南部港市）、Haifa（以色列城市海法）等等，储存在5-11层之间。</em></p><p><em>图片来源：BERTnesia：Investigating the capture and forgetting of knowledge in BERT</em></p><p>更重要的是，随着Transformer模型层深增加，能够学习到的知识数量逐渐以指数级增加。以色列特拉维夫大学、Allen Institute for AI、Cornell Tech的4位学者，在一篇论文中研究了Transformer到底是如何储存这些知识，以及如何对全局信息进行集成、如何建立知识与知识之间的联系、在使用时如何提取。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/dca373ac6ea541daa284372693e6bc99\" alt=\"\"/><em>这个研究揭示了大语言模型如何预测下一个词，比如这个任务中，需要预测Stay with you for a ？，我们知道答案是while，但大语言模型如何预测出来？首先输入向量（这里是x5），与key相乘，上图中“k2”是由描述一段时期（it will take a、every once in a、and for a）、并且以a为结尾的输入触发的，得出记忆系数（例如V1的记忆系数是0.2，V2是1.5），然后对储存在数值中的输出词汇进行权重分配，因此前馈层（feed-forward layer）的输出是其数值的加权和，而前馈层在这个过程中模拟了神经记忆。在这个例子中，AI将大部分概率放在了V2上，也就是“while”这个词。同时，研究者发现大模型作为一个整体，每个层结合了数百个活跃的记忆，在预测的过程中创造了每个组成记忆的值的概率发布，而层与层之间也有着某种链接以便调整，最终的输出分布是以自下而上的方式构建出来的。</em></p><p><em>图片来源：Transformer Feed-Forward Layers Are Key-Value Memories</em></p><p><strong>能证明大语言模型是有知识沉淀的，其实非常重要。</strong>OpenAI为什么能一直坚持做大语言模型？在发展的前期，GPT其实让OpenAI非常受挫，GPT-1和GPT-2都没能胜过Google的Bert，直到GPT-3才扬眉吐气。</p><p>在这个有点“对抗全世界”的过程中，一颗定心丸就是“大语言模型确实在不断积累知识”，如果没有这些，OpenAI可能很难坚持下来。试想一下，如果你拿大量数据训练了很久，最后却发现没有证据证明这个大模型学会了任何知识和推理，只是学习到了统计相关性，那谁还会一直有决心坚持下去呢？所以ChatGPT的成功，不单单是OpenAI独立实现的。</p><p><strong>目前在知识密集型任务上，随着模型规模增长而带来的效果提升，还没有看到尽头，这也意味着只要我们不断扩大，AI处理这类任务的能力还会提升。</strong></p><p>另外，OpenAI也在研究中得出了类似的结论。在论文Scaling Laws for Neural Language Models中，OpenAI提出了大语言模型遵循“伸缩法则”（scaling law）。如下图所示，OpenAI通过研究证明，当我们增加参数规模、数据集规模和延长模型训练时间，大语言建模的性能就会提高。并且，如果独立进行，不受其他两个因素影响时，大模型性能与每个单独的因素都有一个幂律关系，体现为Test Loss的降低，也就是模型性能提升。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/64869901ee0745e085f571e6f6456cb9\" alt=\"\"/><em>当我们独立增加参数规模、数据集规模和延长模型训练时间，大语言建模的性能就会提高；图片来源：OpenAI：Scaling Laws for Neural Language Models</em></p><p><strong>在上一步的基础上，第二类就是涌现出新能力。</strong>具体体现为，在模型参数规模不够大时，AI的能力表现非常一般，准确性几乎是随机的。<strong>但是当模型规模和计算力都推进到一定规模之后，AI的能力突然急剧增长。</strong>经过分析，这类能力也有一个共性，就是这类任务都是由多个步骤构成的一个复杂任务，比如语词检测、国际音标音译、周期性运算、修正算术、单词解读等等。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/d3aaae883042412ca8ed4df001c65875\" alt=\"\"/><em>多步骤推理类任务中，也具有涌现能力；图片来源：Google BIG-bench：Beyond The Imitation Game: Quantifying And Extrapolating The Capabilities Of Language Models</em></p><p><strong>第三种表现是有些情况下，能力效果会呈现U型曲线。</strong>这类情况出现的比较少，主要是随着模型规模加大，刚开始的时候效果反而下降，但当规模到了一定程度之后，效果又开始上升。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/ebc9b80391b24fb182f03462fa251be1\" alt=\"\"/><em>图片来源：Google：Inverse scaling can become U-shaped</em></p><p>如上图中红色线代表的PaLM模型，在两个任务上的指标走势，为何会出现U型曲线？Google的论文Inverse scaling can become U-shaped给出了一种解释：这些任务，内部其实包含了两种不同类型的子任务，一种是真正的任务，另外一种是“干扰任务”。</p><p>当模型规模小的时候，无法识别子任务是哪一种，所以模型的表现跟随机选择答案差不多；当模型增长到中等规模的时候，主要执行的是干扰任务，所以对真正的任务效果有负面影响；当进一步增加模型规模，大模型开始识别出干扰任务，并忽略掉它们，执行真正的任务，最终结果的准确率上升。</p><p><strong>3、两种被证明具备“涌现”的典型能力：</strong></p><p><strong>上下文学习（ICL）和思维链（CoT）</strong></p><p><strong>目前有两类最典型的能力，有实际证据来说明大模型具备涌现效应。</strong></p><p><strong>第一类就是In Context Learning（ICL，上下文学习），ICL是在2022年初正式提出来的，它也是ChatGPT热潮的重要基石之一。</strong></p><p><strong>ICL的关键思想是不对模型参数进行调整，而是给大模型几个示例，AI就可以从类比中学习。</strong>这也意味着，AI其实并没有经历一个明确的学习过程，而是通过看了一些示例，就出现了解决该领域问题的新能力。</p><p><strong>ICL对大语言模型能否泛化非常重要。</strong>在ICL之前，很多语言模型都是两段式框架，即预训练+下游任务微调，但是在针对下游任务的微调过程中，需要大量的样本参数，否则效果很差，然而标注数据的成本高昂、标注量有限，并且如果数据较少的话，容易导致过拟合，致使模型的泛化能力下降。<strong>此时ICL这种不需要fine-tune的方法既节省时间与算力资源，还提升了模型性能。</strong></p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/afa4311a3e5846b58b304496187e9e5c\" alt=\"\"/><em>In Context Learning示例。图片来源：华盛顿大学、Meta、Allen Institute for AI：Rethinking the Role of Demonstrations: What Makes In-Context Learning Work？</em></p><p>上图给出了一个大语言模型如何使用ICL进行决策的例子。首先，ICL需要一些示例来形成一个演示上下文，这些示例通常都是用自然语言编写的（上图中标黄的部分）。然后ICL将查询的问题（即你需要预测标签的input，上图中标绿的部分）和一个上下文演示（一些相关的例子）连接在一起，形成带有提示的输入，并将其输入到语言模型中进行预测（上图中最下方的结果）。</p><p>所以，ICL只需要一些演示“输入-标签”对，模型就可以预测标签，甚至是没见过的输入标签。<strong>在许多下游任务中，大型 GPT模型的性能非常好，甚至超过了一些经过监督微调的小型模型。</strong></p><p>不过，虽然GPT-3/4已经显示出令人惊讶的ICL能力，但它到底是如何工作的？这些能力是如何涌现出来的？现在还没有结论。</p><p>还有很神秘的一点是，如果说大模型只是看了一些示例，但怎么就能预测对新的例子呢？ICL与Fine-tuning表面上看，都是给大模型一些例子，然后让它们去预测，但两者有本质不同。Fine-tuning是拿这些例子当作训练数据，利用反向传播去修正大模型的参数，而这个修正的动作，体现了大模型从这些例子中有学习过程。</p><p>但在ICL中，只是拿出例子让大模型“看了一眼”，并没有证据表明大模型有根据例子去修正参数的动作，就直接让大模型去预测新例子，这意味着大模型似乎并未经历一个学习的过程，那么大模型是如何做到的？</p><p>这目前还是未解之谜。有学者试图证明ICL没有从例子中学习，代表论文是华盛顿大学、Meta与Allen Institute for AI的7位研究者所写的Rethinking the Role of Demonstrations：What Makes In-Context Learning Work？但也有学者认为大模型其实有一种隐式学习，代表论文是What learning algorithm is in-context learning? Investigations with linear models。目前这些互相矛盾的研究，暂时还谁也说服不了谁。</p><p><strong>第二类被广泛认为具备涌现能力的就是CoT（思维链，Chain of Thought），CoT是大语言模型推理能力的重要来源之一。</strong></p><p>CoT的主体思想是：为了教会大语言模型如何做推理，我们先给出一些人工写好的推理示例，示例里要把一步步的具体推理步骤写清楚，而这些人工写的详细推理过程，就是思维链Prompting。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/1cfcfc768c364892aee7148d7d0d990c\" alt=\"\"/>图片来源：Google Brain Team：Chain of thought prompting elicits reasoning in large language models</p><p>最早系统性提出CoT做法的，是Google Brain团队，9位作者在论文Chain of thought prompting elicits reasoning in large language models中系统性阐述了CoT。人工写的详细推理过程，就是上图中蓝色文字部分。</p><p>CoT是要让大语言模型明白，在推理过程中，步子不要迈得太大，否则很容易出错，而是要把大问题拆分成一个一个小问题，逐步得出最终的正确结果。Google Brain的这篇论文发布于2022年1月，<strong>开始应用CoT后，一些改进技术很快跟上，大语言模型的推理能力得到了巨大提升，特别是像数学推理的准确率瞬间提高。</strong></p><p>我们在上文分析过，通过<a href=\"https://laohu8.com/S/603138\">海量数据</a>训练，大语言模型吸收了大量世界知识，并且可以对全局信息进行集成、建立知识与知识之间的联系、在需要使用时准确提取。<strong>但我们不会因为一个人拥有很强的记忆能力，就说这个人很有智慧，而决定有没有智慧的，是这个人能不能通过大量知识推理出准确结论。</strong></p><p>所以CoT是ChatGPT如此惊艳的重要基础，已经有不少研究证实，CoT也具备涌现现象。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/8b2479a672f4498d908ab5aca11d58ae\" alt=\"\"/><em>使用CoT提示，提高了大模型处理数学问题、符号推理任务的能力，出现了能力涌现现象。图片来源：Google Brain：Chain-of-Thought Prompting Elicits Reasoning in Large Language Model。</em></p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/e8a22dca3ba041bca7f47f1e065de4f0\" alt=\"\"/><em>使用CoT提示，还提高了大模型的常识推理能力，也出现了能力涌现现象。图片来源：Google Brain：Chain-of-Thought Prompting Elicits Reasoning in Large Language Model。</em></p><p>如今GPT-4已经在很多人类的考试中取得了高分，比如SAT、AP、GRE等等，甚至还通过了模拟律师考试，分数在应试者的前10%左右。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/518a43dc2a9f49f4a4350ad40c21e54b\" alt=\"\"/><em>图片来源：OpenAI：GPT-4 Technical Report</em></p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/774f97cb97e740e484404bcca764b4fd\" alt=\"\"/><em>一些能力涌现举例。图片来源：Google、Stanford、DeepMind：Emergent Abilities of Large Language Models</em></p><p><strong>不过目前大模型在复杂推理方面仍然有局限性。</strong>无论是微软在论文Sparks of Artificial General Intelligence：Early experiments with GPT-4中，还是加州大学圣芭芭拉分校5位研究者的论文Limitations of Language Models in Arithmetic and Symbolic Induction，都提出了大语言模型在解决问题时的规划能力偏弱。</p><p>比如对于一个简单算术问题，7*4+8*8=？，GPT-4就给出了错误答案88。微软用了100个随机样本测试了这个任务，得到的准确率只有58%，但这其实是一个小学生都可以解决的简单算术问题。如果把数字变大，到99-199 之间，准确率降至零。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/894714645285430fac5217b5510cbce6\" alt=\"\"/><em>图片来源：Microsoft：Sparks of Artificial General Intelligence：Early experiments with GPT-4</em></p><p>但如果我们提示大模型要规划好推理步骤，比如这个更难一点的任务：116 * 114 + 178 * 157 =？，我们这次同时写上提示推理步骤：“让我们一步一步地考虑如何解决这个表达式，写下所有中间步骤，然后才得出最终解决方案。”</p><p>于是准确率大幅提升，可以到90%-100%。这其实说明了，大模型自身缺乏提前规划的能力，这种能力的缺失，会导致大模型很难去处理更加复杂的推理任务。<strong>总之，如何加强大模型的复杂推理能力，是未来研究中非常重要的一点。</strong></p><p><strong>4、多大的模型规模会出现“涌现”？</strong></p><p>我们在上文分析了大模型在哪些任务中出现了涌现现象，<strong>紧接着一个更具有短期价值的问题出现了——多大的模型规模会出现“涌现”现象？</strong></p><p><strong>根据Google、Stanford、DeepMind的论文Emergent Abilities of Large Language Models，我们可以得出一个经验判断：68B是一个基础的参数（params）门槛（B代表单位billions，十亿），最好要超过100B。当然这与具体的任务和模型本身都有关联。</strong></p><p>在ICL（上下文学习）的情形下，需要最少参数就能出现涌现的任务是Addition/ subtraction（3 digit），也就是三位数的加/减法，只需要130亿参数；而像在Word in Context（WiC）benchmark（多义词判断，该任务是指给定两个文本片段和一个有多重含义的多义词，要求模型判定这个单词是否在两个句子中有相同的含义）这样的稍复杂任务中，则需要5400亿参数才能出现涌现。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/bfdb5cf247c243f281e6ed0b1bc6a651\" alt=\"\"/><em>ICL情形下，出现能力涌现所对应的模型规模。图片来源：Google、Stanford、DeepMind：Emergent Abilities of Large Language Models</em></p><p>而在CoT（思维链）的情形下，需要最小参数的任务是using open-book knowledge for fact checking（事实核查），只需要71亿；而leveraging explanations in prompting（在提示中利用解释词）则需要2800亿参数才能涌现这个能力。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/4bd1c9fa45af4c5f808859a03a62a5c7\" alt=\"\"/>CoT情形下，出现能力涌现所对应的模型规模。图片来源：Google、Stanford、DeepMind：Emergent Abilities of Large Language Models</p><p><strong>所以综合来看，68B是一个最基础的门槛。而目前效果最好的大语言模型，其参数规模基本都超过了100B。</strong>例如OpenAI的GPT-3为175B，GPT-4的参数规模未公布；Google的LaMDA规模为137B，PaLM的规模为540B，DeepMind的Gogher规模最大，达到280B。当然，参数规模不是盲目地越大越好，而是要充分训练。</p><p><strong>那么能不能把模型做小？</strong>我们知道，现在大模型的训练成本非常高昂，无论是算力还是高质量的数据集本身都是稀缺资源，动辄百万美元的单次训练成本对大多数公司来说都太贵了。但是如果模型太小，很多能力涌现不出来，又会变成“智障”，所有训练成本都白费。</p><p><strong>目前小模型的代表之一是DeepMind的Chinchilla，</strong>它的参数规模在70B，但在各项性能上，与280B的大模型Gopher相差不算太大。当然这里的“小”模型，只是相对于更大参数规模的模型而言，Chinchilla本身也还是属于大语言模型。</p><p>Gopher也是DeepMind发布的大模型，由于模型规模太大，所以训练成本非常高昂。不过Google通过一项研究，预测出了最优模型其实应该小4倍，并且在多4倍的数据量上进行训练，才能更充分。</p><p>于是DeepMind又训练了一个更小的、70B参数的模型Chinchilla，但在更大规模的数据量上训练，最终证实了这个想法。不过在训练成本方面，Chinchilla虽然减少了参数规模，但增加了数据量，所以训练成本并没有降低，而是降低了推理成本，并且能够在更小硬件上实现应用。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/a507583f14a94d0790c80cc3ac982593\" alt=\"\"/><em>各个主流大模型的参数规模与训练数据量对比，Chinchilla参数规模最小，但训练数据量最大。图片来源：DeepMind：Training Compute-Optimal Language Models</em></p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/e3ca672bf7ad4cf7a24a55ed565a5999\" alt=\"\"/>Chinchilla也具备涌现能力。图片来源：Google、Stanford University、DeepMind：Emergent Abilities of Large Language Models。</p><p>如上图所示，可见Chinchilla在各种MMLU任务（是一种自然语言处理的综合任务，其中有很多子任务）中，具备涌现能力。</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/b8c2c23a300a4c6db65b6ea1b077aa8b\" alt=\"\"/>图片来源：DeepMind：Training Compute-Optimal Language Models</p><p>在Google BIG-bench基准测试中，如上图所示（上图是用Chinchilla的测试得分除以Gopher，以体现Chinchilla比Gopher提升了多少），70B参数规模的Chinchilla，比起280B参数规模的Gopher，只有四项任务表现更差，其他在性能上都更优。</p><p><strong>这里就涉及到了一个核心问题——算力如何分配？</strong>我们在上文介绍“伸缩法则”时，提到过OpenAI在论文Scaling Laws for Neural Language Models中得出结论，当我们独立增加参数规模、数据集规模和延长模型训练时间，大语言建模的性能就会提高。<strong>那么假设总算力是一定的，到底是应该多增加数据量、减少模型参数呢？还是两者同时增加，但减少训练时间呢？</strong></p><p>最终OpenAI选择了同时增加训练数据量和模型参数，但是采用早停策略（early stopping），来减少训练时长。</p><p>OpenAI证明了，如果只单独增加训练数据量和模型参数其中某一个，不是最好的选择，而是要按照一定比例同时增加两者。<strong>OpenAI的结论是优先增加模型参数，然后才是训练数据量。</strong>假设用于训练大语言模型的算力总预算增加了10倍，那么应该增加5.5倍的模型参数量，1.8倍的训练数据量，此时模型效果最佳。</p><p>DeepMind在论文Training Compute-Optimal Large Language Models中，也得出了类似的结论，但与OpenAI不同的是，<strong>DeepMind认为训练数据量也很重要，不亚于模型参数。</strong></p><p>基于这个认知，DeepMind在设计Chinchilla模型时，在算力分配上选择了新配置：对标数据量300B、模型参数量280B的Gopher模型，Chinchilla选择增加4倍的训练数据量，但是将模型参数降低为Gopher的四分之一（70B）。从结果来看，无论是预训练指标，还是很多下游任务指标，Chinchilla效果都要优于规模更大的Gopher。</p><p><strong>另一个“小”模型的例子是Meta推出的LLaMA。</strong>LLaMA一推出，就引起了轰动，因为LLaMA可以在配备M1芯片的苹果电脑，或者单个<a href=\"https://laohu8.com/S/NVDA\">英伟达</a>消费级GPU上运行，而像GPT这些大模型都需要多个数据中心级英伟达A100 GPU支持，并且LLaMA是开源的。如果LLaMA确实好用，那就意味着普通人也可以在自己的消费级硬件上运行这些工具了，这将对社会产生巨大影响。</p><p>从Meta的论文LLaMA：Open and Efficient Foundation Language Models中，Meta也提出了这样一个观点：在给定的算力预算下，最好的性能不是由最大的模型实现的，而是由在更多数据上训练的“小”模型实现的。</p><p><strong>Meta更进一步的是，把推理成本也纳入进来。</strong>Meta认为很多研究都忽略了推理所需的算力成本，而这一点在大语言模型最终应用时非常重要。所以尽管Hoffmann等人建议在200B tokens的数据量上训练10B参数规模的模型，但Meta发现7B参数模型的性能，在1T tokens数据量以上还能继续提升。</p><p>所以Meta的目标是用尽量小的参数规模，拿更大的数据量来训练，以追求更低的推理成本。所以LLaMA最小的参数只有7B，最大的也只有65B，相比于GPT-3 175B确实是“小”模型。</p><p>那么LLaMA虽然有更小的参数规模，但效果如何？也具备涌现能力吗？</p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/6f3802584c6e43d0a0706d5ecbb28c89\" alt=\"\"/><em>图片来源：Meta：LLaMA: Open and Efficient Foundation Language Models</em></p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/be53cf0e950d45e6a82643a137819d78\" alt=\"\"/><em>图片来源：Meta：LLaMA: Open and Efficient Foundation Language Models</em></p><p>上图是Meta在论文中，主要列出的针对MMLU（大规模多任务语言理解）任务成绩，可见LLaMA的性能还是很不错的，在不少基准测试中优于GPT-3，<strong>这证明了更小的参数规模，也能产生涌现能力。</strong></p><p>以上这些研究都很有意义，<strong>我们可以猜想，GPT-3的175B参数，其实并没有得到充分训练，因为以GPT的训练数据量来说，其实不需要这么大的参数量。</strong></p><p><strong>那从另一个角度，在不降低模型效果的前提下，其实可以把模型做小，先增加训练数据量、降低模型参数量，把这个量级的参数充分训练，然后再继续往更大的规模推。</strong></p><p>一个太大的模型规模，会在应用的时候，导致推理速度变慢、推理成本急剧上升，一个更精炼的“小”模型，在应用端更有前途，例如Meta的LLaMA。</p><p>涌现与参数规模、训练数据量可能有一个不同的映射关系，但具体是什么，现在仍然未知。这一点还有待学界研究。</p><p>ChatGPT的出现，代表着人工智能突破了掌握并运用常识的能力，涌现现象的出现，使得大语言模型正在往“真正的人工智能”方向大踏步迭代。</p><p>微软在GPT-4论文中写道：</p><ul style=\"\"><li><p><em>我们对GPT-4的研究完全是基于现象学的，我们关注的是GPT-4能够做到这些令人惊讶的事情，但我们并不知道它是如何变得如此智能的。它是如何推理、规划和创造内容的？</em><strong><em>为什么当它本质上只是由简单的算法组件——梯度下降和Transformer，以及庞大的数据组合而成时，会表现出如此通用和灵活的智能？</em></strong></p></li><li><p><em>这些问题是大语言模型充满神秘和吸引力的部分，挑战了我们对学习和认知的理解，</em><strong><em>关键方向就是对大语言模型涌现现象的持续研究。</em></strong></p></li><li><p><em>阐明GPT-4等AI系统的本质和机制，是一个巨大的挑战，</em><strong><em>这个挑战在今天已经突然变得重要和紧迫。</em></strong></p></li></ul><p>1942年，科幻小说作家阿西莫夫（Isaac Asimov）提出了机器人三定律：</p><ul style=\"\"><li><p><em>机器人不得伤害人类，或者目睹人类遭受危险而袖手旁观；</em></p></li><li><p><em>在不违反第一定律的前提下，机器人必须服从人给予它的命令；</em></p></li><li><p><em>机器人在不违反第一、第二定律的情况下要尽力保护自己。</em></p></li></ul><p>当下，我们虽然还处于通用人工智能的早期阶段，但ChatGPT的迭代速度非常惊人，有传闻说GPT-5的部分代码，已经是由GPT-4来自动生成的了。<strong>我们是否需要在未来的某个时刻停下来，先思考一下如何制定针对通用人工智能的定律？并确保这些定律能够被100%执行，因为涌现仍然是黑箱，我们对能力涌现的机制与方向还所知甚少。</strong></p><p>目前有少量研究探寻了涌现现象出现的可能原因，但只是一些初步探索，限于本文篇幅，我们会在下一篇文章中介绍这些研究。一些猜想包括：涌现可能只是一种外在表现，因为我们对任务的评价指标不够平滑；很多任务是由多步骤构成，随着模型规模变大，如果每个步骤都更准确了一点点，最终的整体正确率会大幅提升，就会体现成“涌现”现象。</p><p><strong>在本文最后的最后，我想说一个题外话。我最初看到论文Beyond The Imitation Game: Quantifying And Extrapolating The Capabilities Of Language Models的时候，被它的首页吓到了，然后是一种感动油然而生：在作者署名那里，密密麻麻地列举了来自132个机构的442位作者，他们在2022年密切合作，在人类未曾涉足的前沿领域探索。</strong></p><p>纵观最近1-2年人工智能领域的论文，几乎没有仅仅2-3位作者署名的，都是5-6位或者10多位作者的联合署名，比如微软关于GPT-4的论文就有14位作者署名、Google关于超大模型PaLM的论文有67位作者。<strong>如今在诸多前沿领域，比如量子计算、人工智能、航天科学、核聚变等等，都需要非常复杂的多学科交汇，人类的进步不仅仅依靠一两个天才，越来越是密切的组织与合作的结果。</strong></p><p><img src=\"https://static.tigerbbs.com/fe5a376e68b64e5d82e70cf015a9cc38\" alt=\"\"/><em>Beyond The Imitation Game: Quantifying And Extrapolating The Capabilities Of Language Models论文首页，密密麻麻地列举了132个机构的442位作者，感谢这些在人类前沿领域不断探索的人们。</em></p></body></html>\n\n</article>\n</div>\n</body>\n</html>\n","type":0,"thumbnail":"https://static.tigerbbs.com/3ffb32e91439706901d0645b2679c546","relate_stocks":{},"source_url":"http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3ODk5OTEzOA==&mid=2962169825&idx=1&sn=3276f4e2b09823f300f7b15d786d6d74&chksm=aac184ec9db60dfa4f484bb6dc70b1a85d83baccea9dd642a64ab4301878ba28d854c4ebc530&scene=0#rd","is_english":false,"share_image_url":"https://static.laohu8.com/e9f99090a1c2ed51c021029395664489","article_id":"2385143611","content_text":"最近，OpenAI的人事动荡已经反转再反转，如果拍成电视剧可以持续好几季，外界也不断有各种猜测。但至今，所有讨论都没有涉及最核心的部分：董事会到底为什么要突然驱逐Sam Altman？最新的进展是，在Sam Altman被解雇前，几名研究人员向该公司董事会发了一封信，警告一项强大的人工智能发现可能威胁到人类，这个项目被称为“Q*”（Q-star）。这件事情可能是导致董事会罢免Sam Altman的原因之一，一些研究人员担心OpenAI没有适当的保障措施。董事会在公开场合对罢免的原因含糊其辞，仅在一篇博客文章中表示，Sam Altman被解雇是因为他“在与董事会的沟通中始终不坦诚”。一直有不少人猜测，其背后真正的原因，可能是首席科学家Ilya Sutskever在AI中看到了什么，很有可能是“对齐”（alignment）方面的问题（当然Ilya Sutskever自己后来又反悔了）。甚至有段子说，这是未来人类穿越时空回到今天，以阻止AI在未来毁灭人类，哈哈。无论如何，OpenAI的风波背后，隐含了AI行业内部一直悬而未决的问题：谁能被信任，来打开AI这个潘多拉魔盒？AI之所以能在科技巨头和世界领导人中引起焦虑，原因之一是，我们至今不知道AI为什么一下子变得如此智能？也没有搞清楚大语言模型中的“涌现”（Emergent）现象到底是怎么回事？这导致人类无法真正理解、预测或可靠地控制这些大模型，包括这些模型的创造者们。所以在今天这个时间点，我们想再来重温一下这个问题，重新转发我们在4月份的文章：是什么让ChatGPT变得如此聪明？仍然未知的大语言模型“能力涌现”现象。在这起Open AI的风波背后，这个问题依然值得我们重视。随着语言模型规模的增长，新能力突然出现；图片来源：Google“计算机科学之父”艾伦·麦席森·图灵早在1950年的论文Computing machinery and intelligence（计算机器与智能），就提出过一个观点：“学习机器有一个重要的特征，即它的老师往往对机器内部运行情况一无所知。”70多年后，这则恐怖的论断成真了。大语言模型的设计者，比如OpenAI、DeepMind或是Meta，他们也不清楚这些新兴能力是如何产生的。微软在关于GPT-4的论文中提出了这个问题：它是如何推理、规划和创造内容的？为什么GPT-4本质上只是由简单的算法组件——梯度下降和大规模的Transformer架构，以及大量数据组合而成，但会表现出如此通用和灵活的智能？微软对GPT-4的这个问题，还可以延伸出很多新问题：涌现是在多大参数规模出现的？哪些调整会影响能力的涌现？会涌现出哪些方向的能力？我们能控制它吗？……搞清楚这些问题其实非常重要，短期的意义是，多大的模型规模是合适的？根据Chinchilla的论文，你可以对比在GPT-3的1750亿参数中，可能是有不少冗余的，如果更小的模型也可以出现能力涌现，这也许能削减训练成本。长期的意义在于，AI目前还是在线上，但迟早会与物理世界连接，你可以想象一个基于GPT-10的ChatGPT与波士顿动力或者特斯拉的机器人结合吗？这或许在不远的将来就能实现。但如果涌现依然是一个黑箱，人类无法理解人工智能的进化方式或是方向，这在未来AI与物理世界连接后，恐怕会存在危险。目前，学界与产业界有几十篇论文在研究涌现现象，或是研究模型规模与性能之间的联系，我们在本文中会引用一些核心观点，在文末的注释中会列出这些论文的简介与链接，供感兴趣的朋友们进一步研究。本篇文章会主要讨论这些问题：● 大语言模型令人震惊的理解和推理能力● 当我们加大模型规模时，出现的三种神奇表现● 两种被证明具备“涌现”的典型能力：上下文学习（ICL）和思维链（CoT）● 多大的模型规模会出现“涌现”？● （附录：本文的论文注释与引用）大语言模型的涌现现象，在一定规模后迅速涌现出新能力；图片来源：Google、Stanford、DeepMind：Emergent Abilities of Large Language Models1、大语言模型令人震惊的理解和推理能力最近几个月里，硅谷一夜之间出现了几百家应用层的创业公司，但在去年11月OpenAI发布ChatGPT之前，整个市场并没有意识到人工智能会在这个时刻，出现这样的爆发。并且大语言模型的迭代速度非常惊人，OpenAI在三个半月后，就即刻发布了GPT-4，升级到多模态，GPT-4竟然可以从文字+图片中，理解人类的幽默感。这些里程碑式的进化背后，核心是涌现现象的出现，只有AI涌现出了这些能力，AI产业才真正迎来了拐点。下面我们先列举一些GPT-4所表现出来的、令人震惊的理解和推理能力：这是一幅用鸡块拼成的世界地图，并且配了一段文字：有时，我只是从太空看地球的照片，并惊讶于这一切是如此的美丽。给GPT-4提问：你能解释一下作者想表达什么吗？GPT-4说：这是一个笑话，它结合了两个不相关的东西：从太空看地球的图片和鸡块。文字表明，下面的图片是从太空看地球的美丽图片。然而，该图片实际上是鸡块的排列，只是有点像世界地图。这个备忘录的幽默来自文本和图片的意外并置，文字设置了一个对地球雄伟形象的期望，但图像实际上是一些平凡而愚蠢的东西。上面这个例子证明了GPT-4具备多模态的理解力，可以识别并理解图片，以及理解了文字+图片并行的意思，并且懂得人类的幽默感。我们再举两个例子，来证明GPT-4具备知识沉淀与推理能力：黄色标记突出了关键的成功推理步骤；图片来源：Sparks of Articial General Intelligence：Early experiments with GPT-4，Microsoft这是给GPT-4出的一个典型谜题：一个猎人向南走了一英里，向东走了一英里，向北走了一英里，此时恰好回到了起点。他看到了一只熊，于是开枪打了它。这只熊是什么颜色的？我们看到ChatGPT直接放弃了回答，但GPT-4的回答是正确的，答案是白色，并且GPT-4展开推理分析：因为猎人先向南，再向东最后向北，分别走了一英里，恰好回到了原点，这种情况只可能发生在北极，而那里生活着北极熊，所以是白色的。我们再举一个类似的例子，但这个谜题需要不同的知识积累：我驾驶一架飞机离开我的营地，直接向东飞行24901英里，然后回到营地。当我回到营地时，看到一个老虎在我的帐篷里吃我的食物，这只老虎是什么物种？黄色标记突出了关键的成功推理步骤；图片来源：Sparks of Articial General Intelligence：Early experiments with GPT-4，Microsoft同样的，ChatGPT直接放弃了回答，但GPT-4给出了正确的答案：任何生活在赤道上的老虎物种，例如孟加拉虎和苏门答腊虎。在这个谜题里，AI需要知道地球赤道长24901英里，只有在赤道上才能向东或向西行驶并返回同一点，以及哪些老虎物种生活在赤道上。这些测试都证明了AI具备知识沉淀和推理能力，这也是AI首次真正意义上跨过常识这道门槛。拥有常识要求AI不仅能够看懂眼前画面里的各种东西，还得知道社会规范、物理化学地理等等知识，并且把新看到和已知的一切融会贯通，这是之前十几年AI产业都没有解决的问题，所以之前的AI都有点“智障”，直到GPT-4出现。为什么AI会涌现出这些能力？目前学界还没有答案。不过，有一些探索性的研究论文，在尝试得出一些结论。例如Google+DeepMind+Stanford等16位大牛合作的论文《Emergent Abilities of Large Language Models》（大语言模型的涌现能力）、UCLA 3位教授合写的论文《Emergent Analogical Reasoning in Large Language Models》（类比推理能力在大语言模型中的涌现）。以及，到底如何评估大语言模型的能力表现？在哪些任务上会出现涌现现象？Google在2022年做了一项重要的基准测试。研究人员设计了一个大规模、非常复杂且具有多样化的基准测试——超越模仿游戏基准（Beyond the Imitation Game Benchmark，BIG-bench），以在这个新基准之上衡量大模型的性能。这是一项非常重要的研究，它包含了204项任务，内容多种多样，包括语言学、数学、常识推理、生物学、物理学、社会学、编程等各个方面，并且还有一个由人类专家组成的对照组，他们也同时来做这些测试任务，以跟大模型的结果做对比。BIG-bench对很多大模型做了测试，包括OpenAI的GPT-3、Google的BIG-G等等，模型规模参数有百万级别的，也有千亿级别的。这项任务的主要目标，不是简单地判断大模型与人类的区别，而是为了研究与大模型行为相关的问题。这篇论文的很多结论很有意思，其中就有对“涌现”现象的研究，我们在后文中会介绍。还有一些对大语言模型参数规模与性能之间联系的研究，比如DeepMind在21位作者合写的论文《Training Compute-Optimal Large Language Models》（训练计算利用率最优的大语言模型）中，阐释了尽管大型语言模型随着规模的增长，实现了性能的大幅增强，但由于训练它们的数据量并没有相应成比例地增加，所以并没有实现最高的投入产出比，很多大语言模型都存在训练不足的问题。这篇论文也很有意思，它的背景是DeepMind此前发布了2800亿参数的Gopher，他们统计了Gopher高昂的训练成本，但预测出最优模型应该小4倍，并且在多4倍的数据量上进行训练，才能更充分。然后Deepmind又训练了一个更小的、700亿参数的模型Chinchilla，但在更大规模的数据量上训练，最终证实了这个想法，Chinchilla的性能不输于Gopher。还有OpenAI 10位作者合写的论文《Scaling Laws for Neural Language Models》；Microsoft 14位作者合写的GPT-4论文《Sparks of Articial General Intelligence：Early experiments with GPT-4》；Meta 11位作者合写的论文《LLaMA：Open and Efficient Foundation Language Models》，LLaMA是一个值得关注的大模型，因为Meta一次性发布了四种尺寸：7B、13B、33B和65B，有助于研究模型规模与性能之间的联系。目前对于涌现，最核心的判断来自Google+DeepMind+Stanford的论文《Emergent Abilities of Large Language Models》：小语言模型本来不具备某种能力，然后我们把模型加大，结果它就产生了某种能力，这就是涌现。2、当我们加大模型规模时，出现的三种神奇表现在2020年之后，人工智能领域最大的进展，其实就是模型规模的快速增长。在AI围棋打败人类棋手时代，Google Bert的参数规模在3亿量级。但到了2020年之后，GPT-3跨越到了1750亿参数规模。而Google在今年初新出的PaLM多模态模型，都在5000亿以上。当然模型规模不仅仅是越大越好，还需要足够高的训练效率。近年来，大语言模型在参数规模和算力上都大幅提升；图片来源：BofA Global Research当我们不断加大模型规模时，大语言模型出现了三种表现：第一种是大语言模型从海量自由文本中学习了大量知识，并且是在不断积累的。从下图我们可以看到，随着有效参数规模的提升，大语言模型在处理知识密集型任务越来越厉害。知识密集型任务遵循伸缩法则；图片来源：Google BIG-bench：Beyond The Imitation Game: Quantifying And Extrapolating The Capabilities Of Language Models如果把这些知识粗略分类的话，主要是语言类知识和世界知识两大类。自从Google的Bert出现以来，就不断有相关研究，并且也有了结论，各种实验充分证明大语言模型可以学习各种层次类型的语言学知识，这也是为何使用预训练模型后，各种语言理解类的任务，获得了大幅提升。另外，各种研究也证明了浅层语言知识，比如词法、词性、句法等知识存储在Transformer的低层和中层，而抽象的语言知识比如语义类知识，广泛分布在Transformer的中层和高层结构中。世界知识指的是，一些事实型知识和常识型知识，比如“第一次世界大战开始于1914年7月28日”、“拿破仑曾经是法兰西皇帝”等等事实型知识；以及“人有两只眼睛”、“太阳从东方升起”、“世界有五大洲”“一天有24小时”等等常识型知识，大量研究证明了大语言模型，从训练数据中吸收了大量世界知识，而这类知识主要分布在Transformer的中层和高层，尤其聚集在中层。一篇2021年的论文显示，研究人员通过分层探测程序，来研究Google基于Transformer架构的Bert是如何储存知识的，发现并不是所有知识都在最后几层获得，大量的事实与一些关系更多是在中间层，比如给Bert一个问题“阿拉巴马州的首府是？”，在Transformer的架构中，可以发现正确答案“蒙哥马利（Montgomery，上图中标红）”是储存在11层和12层之间，但一些逻辑推理中所需要的词汇，比如located（位于）、today（今天）、city（判断任务中的capital这个词，此时指的是城市），以及其他地名知识Gaveston（加尔维斯敦，美国得克萨斯州东南部港市）、Haifa（以色列城市海法）等等，储存在5-11层之间。图片来源：BERTnesia：Investigating the capture and forgetting of knowledge in BERT更重要的是，随着Transformer模型层深增加，能够学习到的知识数量逐渐以指数级增加。以色列特拉维夫大学、Allen Institute for AI、Cornell Tech的4位学者，在一篇论文中研究了Transformer到底是如何储存这些知识，以及如何对全局信息进行集成、如何建立知识与知识之间的联系、在使用时如何提取。这个研究揭示了大语言模型如何预测下一个词，比如这个任务中，需要预测Stay with you for a ？，我们知道答案是while，但大语言模型如何预测出来？首先输入向量（这里是x5），与key相乘，上图中“k2”是由描述一段时期（it will take a、every once in a、and for a）、并且以a为结尾的输入触发的，得出记忆系数（例如V1的记忆系数是0.2，V2是1.5），然后对储存在数值中的输出词汇进行权重分配，因此前馈层（feed-forward layer）的输出是其数值的加权和，而前馈层在这个过程中模拟了神经记忆。在这个例子中，AI将大部分概率放在了V2上，也就是“while”这个词。同时，研究者发现大模型作为一个整体，每个层结合了数百个活跃的记忆，在预测的过程中创造了每个组成记忆的值的概率发布，而层与层之间也有着某种链接以便调整，最终的输出分布是以自下而上的方式构建出来的。图片来源：Transformer Feed-Forward Layers Are Key-Value Memories能证明大语言模型是有知识沉淀的，其实非常重要。OpenAI为什么能一直坚持做大语言模型？在发展的前期，GPT其实让OpenAI非常受挫，GPT-1和GPT-2都没能胜过Google的Bert，直到GPT-3才扬眉吐气。在这个有点“对抗全世界”的过程中，一颗定心丸就是“大语言模型确实在不断积累知识”，如果没有这些，OpenAI可能很难坚持下来。试想一下，如果你拿大量数据训练了很久，最后却发现没有证据证明这个大模型学会了任何知识和推理，只是学习到了统计相关性，那谁还会一直有决心坚持下去呢？所以ChatGPT的成功，不单单是OpenAI独立实现的。目前在知识密集型任务上，随着模型规模增长而带来的效果提升，还没有看到尽头，这也意味着只要我们不断扩大，AI处理这类任务的能力还会提升。另外，OpenAI也在研究中得出了类似的结论。在论文Scaling Laws for Neural Language Models中，OpenAI提出了大语言模型遵循“伸缩法则”（scaling law）。如下图所示，OpenAI通过研究证明，当我们增加参数规模、数据集规模和延长模型训练时间，大语言建模的性能就会提高。并且，如果独立进行，不受其他两个因素影响时，大模型性能与每个单独的因素都有一个幂律关系，体现为Test Loss的降低，也就是模型性能提升。当我们独立增加参数规模、数据集规模和延长模型训练时间，大语言建模的性能就会提高；图片来源：OpenAI：Scaling Laws for Neural Language Models在上一步的基础上，第二类就是涌现出新能力。具体体现为，在模型参数规模不够大时，AI的能力表现非常一般，准确性几乎是随机的。但是当模型规模和计算力都推进到一定规模之后，AI的能力突然急剧增长。经过分析，这类能力也有一个共性，就是这类任务都是由多个步骤构成的一个复杂任务，比如语词检测、国际音标音译、周期性运算、修正算术、单词解读等等。多步骤推理类任务中，也具有涌现能力；图片来源：Google BIG-bench：Beyond The Imitation Game: Quantifying And Extrapolating The Capabilities Of Language Models第三种表现是有些情况下，能力效果会呈现U型曲线。这类情况出现的比较少，主要是随着模型规模加大，刚开始的时候效果反而下降，但当规模到了一定程度之后，效果又开始上升。图片来源：Google：Inverse scaling can become U-shaped如上图中红色线代表的PaLM模型，在两个任务上的指标走势，为何会出现U型曲线？Google的论文Inverse scaling can become U-shaped给出了一种解释：这些任务，内部其实包含了两种不同类型的子任务，一种是真正的任务，另外一种是“干扰任务”。当模型规模小的时候，无法识别子任务是哪一种，所以模型的表现跟随机选择答案差不多；当模型增长到中等规模的时候，主要执行的是干扰任务，所以对真正的任务效果有负面影响；当进一步增加模型规模，大模型开始识别出干扰任务，并忽略掉它们，执行真正的任务，最终结果的准确率上升。3、两种被证明具备“涌现”的典型能力：上下文学习（ICL）和思维链（CoT）目前有两类最典型的能力，有实际证据来说明大模型具备涌现效应。第一类就是In Context Learning（ICL，上下文学习），ICL是在2022年初正式提出来的，它也是ChatGPT热潮的重要基石之一。ICL的关键思想是不对模型参数进行调整，而是给大模型几个示例，AI就可以从类比中学习。这也意味着，AI其实并没有经历一个明确的学习过程，而是通过看了一些示例，就出现了解决该领域问题的新能力。ICL对大语言模型能否泛化非常重要。在ICL之前，很多语言模型都是两段式框架，即预训练+下游任务微调，但是在针对下游任务的微调过程中，需要大量的样本参数，否则效果很差，然而标注数据的成本高昂、标注量有限，并且如果数据较少的话，容易导致过拟合，致使模型的泛化能力下降。此时ICL这种不需要fine-tune的方法既节省时间与算力资源，还提升了模型性能。In Context Learning示例。图片来源：华盛顿大学、Meta、Allen Institute for AI：Rethinking the Role of Demonstrations: What Makes In-Context Learning Work？上图给出了一个大语言模型如何使用ICL进行决策的例子。首先，ICL需要一些示例来形成一个演示上下文，这些示例通常都是用自然语言编写的（上图中标黄的部分）。然后ICL将查询的问题（即你需要预测标签的input，上图中标绿的部分）和一个上下文演示（一些相关的例子）连接在一起，形成带有提示的输入，并将其输入到语言模型中进行预测（上图中最下方的结果）。所以，ICL只需要一些演示“输入-标签”对，模型就可以预测标签，甚至是没见过的输入标签。在许多下游任务中，大型 GPT模型的性能非常好，甚至超过了一些经过监督微调的小型模型。不过，虽然GPT-3/4已经显示出令人惊讶的ICL能力，但它到底是如何工作的？这些能力是如何涌现出来的？现在还没有结论。还有很神秘的一点是，如果说大模型只是看了一些示例，但怎么就能预测对新的例子呢？ICL与Fine-tuning表面上看，都是给大模型一些例子，然后让它们去预测，但两者有本质不同。Fine-tuning是拿这些例子当作训练数据，利用反向传播去修正大模型的参数，而这个修正的动作，体现了大模型从这些例子中有学习过程。但在ICL中，只是拿出例子让大模型“看了一眼”，并没有证据表明大模型有根据例子去修正参数的动作，就直接让大模型去预测新例子，这意味着大模型似乎并未经历一个学习的过程，那么大模型是如何做到的？这目前还是未解之谜。有学者试图证明ICL没有从例子中学习，代表论文是华盛顿大学、Meta与Allen Institute for AI的7位研究者所写的Rethinking the Role of Demonstrations：What Makes In-Context Learning Work？但也有学者认为大模型其实有一种隐式学习，代表论文是What learning algorithm is in-context learning? Investigations with linear models。目前这些互相矛盾的研究，暂时还谁也说服不了谁。第二类被广泛认为具备涌现能力的就是CoT（思维链，Chain of Thought），CoT是大语言模型推理能力的重要来源之一。CoT的主体思想是：为了教会大语言模型如何做推理，我们先给出一些人工写好的推理示例，示例里要把一步步的具体推理步骤写清楚，而这些人工写的详细推理过程，就是思维链Prompting。图片来源：Google Brain Team：Chain of thought prompting elicits reasoning in large language models最早系统性提出CoT做法的，是Google Brain团队，9位作者在论文Chain of thought prompting elicits reasoning in large language models中系统性阐述了CoT。人工写的详细推理过程，就是上图中蓝色文字部分。CoT是要让大语言模型明白，在推理过程中，步子不要迈得太大，否则很容易出错，而是要把大问题拆分成一个一个小问题，逐步得出最终的正确结果。Google Brain的这篇论文发布于2022年1月，开始应用CoT后，一些改进技术很快跟上，大语言模型的推理能力得到了巨大提升，特别是像数学推理的准确率瞬间提高。我们在上文分析过，通过海量数据训练，大语言模型吸收了大量世界知识，并且可以对全局信息进行集成、建立知识与知识之间的联系、在需要使用时准确提取。但我们不会因为一个人拥有很强的记忆能力，就说这个人很有智慧，而决定有没有智慧的，是这个人能不能通过大量知识推理出准确结论。所以CoT是ChatGPT如此惊艳的重要基础，已经有不少研究证实，CoT也具备涌现现象。使用CoT提示，提高了大模型处理数学问题、符号推理任务的能力，出现了能力涌现现象。图片来源：Google Brain：Chain-of-Thought Prompting Elicits Reasoning in Large Language Model。使用CoT提示，还提高了大模型的常识推理能力，也出现了能力涌现现象。图片来源：Google Brain：Chain-of-Thought Prompting Elicits Reasoning in Large Language Model。如今GPT-4已经在很多人类的考试中取得了高分，比如SAT、AP、GRE等等，甚至还通过了模拟律师考试，分数在应试者的前10%左右。图片来源：OpenAI：GPT-4 Technical Report一些能力涌现举例。图片来源：Google、Stanford、DeepMind：Emergent Abilities of Large Language Models不过目前大模型在复杂推理方面仍然有局限性。无论是微软在论文Sparks of Artificial General Intelligence：Early experiments with GPT-4中，还是加州大学圣芭芭拉分校5位研究者的论文Limitations of Language Models in Arithmetic and Symbolic Induction，都提出了大语言模型在解决问题时的规划能力偏弱。比如对于一个简单算术问题，7*4+8*8=？，GPT-4就给出了错误答案88。微软用了100个随机样本测试了这个任务，得到的准确率只有58%，但这其实是一个小学生都可以解决的简单算术问题。如果把数字变大，到99-199 之间，准确率降至零。图片来源：Microsoft：Sparks of Artificial General Intelligence：Early experiments with GPT-4但如果我们提示大模型要规划好推理步骤，比如这个更难一点的任务：116 * 114 + 178 * 157 =？，我们这次同时写上提示推理步骤：“让我们一步一步地考虑如何解决这个表达式，写下所有中间步骤，然后才得出最终解决方案。”于是准确率大幅提升，可以到90%-100%。这其实说明了，大模型自身缺乏提前规划的能力，这种能力的缺失，会导致大模型很难去处理更加复杂的推理任务。总之，如何加强大模型的复杂推理能力，是未来研究中非常重要的一点。4、多大的模型规模会出现“涌现”？我们在上文分析了大模型在哪些任务中出现了涌现现象，紧接着一个更具有短期价值的问题出现了——多大的模型规模会出现“涌现”现象？根据Google、Stanford、DeepMind的论文Emergent Abilities of Large Language Models，我们可以得出一个经验判断：68B是一个基础的参数（params）门槛（B代表单位billions，十亿），最好要超过100B。当然这与具体的任务和模型本身都有关联。在ICL（上下文学习）的情形下，需要最少参数就能出现涌现的任务是Addition/ subtraction（3 digit），也就是三位数的加/减法，只需要130亿参数；而像在Word in Context（WiC）benchmark（多义词判断，该任务是指给定两个文本片段和一个有多重含义的多义词，要求模型判定这个单词是否在两个句子中有相同的含义）这样的稍复杂任务中，则需要5400亿参数才能出现涌现。ICL情形下，出现能力涌现所对应的模型规模。图片来源：Google、Stanford、DeepMind：Emergent Abilities of Large Language Models而在CoT（思维链）的情形下，需要最小参数的任务是using open-book knowledge for fact checking（事实核查），只需要71亿；而leveraging explanations in prompting（在提示中利用解释词）则需要2800亿参数才能涌现这个能力。CoT情形下，出现能力涌现所对应的模型规模。图片来源：Google、Stanford、DeepMind：Emergent Abilities of Large Language Models所以综合来看，68B是一个最基础的门槛。而目前效果最好的大语言模型，其参数规模基本都超过了100B。例如OpenAI的GPT-3为175B，GPT-4的参数规模未公布；Google的LaMDA规模为137B，PaLM的规模为540B，DeepMind的Gogher规模最大，达到280B。当然，参数规模不是盲目地越大越好，而是要充分训练。那么能不能把模型做小？我们知道，现在大模型的训练成本非常高昂，无论是算力还是高质量的数据集本身都是稀缺资源，动辄百万美元的单次训练成本对大多数公司来说都太贵了。但是如果模型太小，很多能力涌现不出来，又会变成“智障”，所有训练成本都白费。目前小模型的代表之一是DeepMind的Chinchilla，它的参数规模在70B，但在各项性能上，与280B的大模型Gopher相差不算太大。当然这里的“小”模型，只是相对于更大参数规模的模型而言，Chinchilla本身也还是属于大语言模型。Gopher也是DeepMind发布的大模型，由于模型规模太大，所以训练成本非常高昂。不过Google通过一项研究，预测出了最优模型其实应该小4倍，并且在多4倍的数据量上进行训练，才能更充分。于是DeepMind又训练了一个更小的、70B参数的模型Chinchilla，但在更大规模的数据量上训练，最终证实了这个想法。不过在训练成本方面，Chinchilla虽然减少了参数规模，但增加了数据量，所以训练成本并没有降低，而是降低了推理成本，并且能够在更小硬件上实现应用。各个主流大模型的参数规模与训练数据量对比，Chinchilla参数规模最小，但训练数据量最大。图片来源：DeepMind：Training Compute-Optimal Language ModelsChinchilla也具备涌现能力。图片来源：Google、Stanford University、DeepMind：Emergent Abilities of Large Language Models。如上图所示，可见Chinchilla在各种MMLU任务（是一种自然语言处理的综合任务，其中有很多子任务）中，具备涌现能力。图片来源：DeepMind：Training Compute-Optimal Language Models在Google BIG-bench基准测试中，如上图所示（上图是用Chinchilla的测试得分除以Gopher，以体现Chinchilla比Gopher提升了多少），70B参数规模的Chinchilla，比起280B参数规模的Gopher，只有四项任务表现更差，其他在性能上都更优。这里就涉及到了一个核心问题——算力如何分配？我们在上文介绍“伸缩法则”时，提到过OpenAI在论文Scaling Laws for Neural Language Models中得出结论，当我们独立增加参数规模、数据集规模和延长模型训练时间，大语言建模的性能就会提高。那么假设总算力是一定的，到底是应该多增加数据量、减少模型参数呢？还是两者同时增加，但减少训练时间呢？最终OpenAI选择了同时增加训练数据量和模型参数，但是采用早停策略（early stopping），来减少训练时长。OpenAI证明了，如果只单独增加训练数据量和模型参数其中某一个，不是最好的选择，而是要按照一定比例同时增加两者。OpenAI的结论是优先增加模型参数，然后才是训练数据量。假设用于训练大语言模型的算力总预算增加了10倍，那么应该增加5.5倍的模型参数量，1.8倍的训练数据量，此时模型效果最佳。DeepMind在论文Training Compute-Optimal Large Language Models中，也得出了类似的结论，但与OpenAI不同的是，DeepMind认为训练数据量也很重要，不亚于模型参数。基于这个认知，DeepMind在设计Chinchilla模型时，在算力分配上选择了新配置：对标数据量300B、模型参数量280B的Gopher模型，Chinchilla选择增加4倍的训练数据量，但是将模型参数降低为Gopher的四分之一（70B）。从结果来看，无论是预训练指标，还是很多下游任务指标，Chinchilla效果都要优于规模更大的Gopher。另一个“小”模型的例子是Meta推出的LLaMA。LLaMA一推出，就引起了轰动，因为LLaMA可以在配备M1芯片的苹果电脑，或者单个英伟达消费级GPU上运行，而像GPT这些大模型都需要多个数据中心级英伟达A100 GPU支持，并且LLaMA是开源的。如果LLaMA确实好用，那就意味着普通人也可以在自己的消费级硬件上运行这些工具了，这将对社会产生巨大影响。从Meta的论文LLaMA：Open and Efficient Foundation Language Models中，Meta也提出了这样一个观点：在给定的算力预算下，最好的性能不是由最大的模型实现的，而是由在更多数据上训练的“小”模型实现的。Meta更进一步的是，把推理成本也纳入进来。Meta认为很多研究都忽略了推理所需的算力成本，而这一点在大语言模型最终应用时非常重要。所以尽管Hoffmann等人建议在200B tokens的数据量上训练10B参数规模的模型，但Meta发现7B参数模型的性能，在1T tokens数据量以上还能继续提升。所以Meta的目标是用尽量小的参数规模，拿更大的数据量来训练，以追求更低的推理成本。所以LLaMA最小的参数只有7B，最大的也只有65B，相比于GPT-3 175B确实是“小”模型。那么LLaMA虽然有更小的参数规模，但效果如何？也具备涌现能力吗？图片来源：Meta：LLaMA: Open and Efficient Foundation Language Models图片来源：Meta：LLaMA: Open and Efficient Foundation Language Models上图是Meta在论文中，主要列出的针对MMLU（大规模多任务语言理解）任务成绩，可见LLaMA的性能还是很不错的，在不少基准测试中优于GPT-3，这证明了更小的参数规模，也能产生涌现能力。以上这些研究都很有意义，我们可以猜想，GPT-3的175B参数，其实并没有得到充分训练，因为以GPT的训练数据量来说，其实不需要这么大的参数量。那从另一个角度，在不降低模型效果的前提下，其实可以把模型做小，先增加训练数据量、降低模型参数量，把这个量级的参数充分训练，然后再继续往更大的规模推。一个太大的模型规模，会在应用的时候，导致推理速度变慢、推理成本急剧上升，一个更精炼的“小”模型，在应用端更有前途，例如Meta的LLaMA。涌现与参数规模、训练数据量可能有一个不同的映射关系，但具体是什么，现在仍然未知。这一点还有待学界研究。ChatGPT的出现，代表着人工智能突破了掌握并运用常识的能力，涌现现象的出现，使得大语言模型正在往“真正的人工智能”方向大踏步迭代。微软在GPT-4论文中写道：我们对GPT-4的研究完全是基于现象学的，我们关注的是GPT-4能够做到这些令人惊讶的事情，但我们并不知道它是如何变得如此智能的。它是如何推理、规划和创造内容的？为什么当它本质上只是由简单的算法组件——梯度下降和Transformer，以及庞大的数据组合而成时，会表现出如此通用和灵活的智能？这些问题是大语言模型充满神秘和吸引力的部分，挑战了我们对学习和认知的理解，关键方向就是对大语言模型涌现现象的持续研究。阐明GPT-4等AI系统的本质和机制，是一个巨大的挑战，这个挑战在今天已经突然变得重要和紧迫。1942年，科幻小说作家阿西莫夫（Isaac Asimov）提出了机器人三定律：机器人不得伤害人类，或者目睹人类遭受危险而袖手旁观；在不违反第一定律的前提下，机器人必须服从人给予它的命令；机器人在不违反第一、第二定律的情况下要尽力保护自己。当下，我们虽然还处于通用人工智能的早期阶段，但ChatGPT的迭代速度非常惊人，有传闻说GPT-5的部分代码，已经是由GPT-4来自动生成的了。我们是否需要在未来的某个时刻停下来，先思考一下如何制定针对通用人工智能的定律？并确保这些定律能够被100%执行，因为涌现仍然是黑箱，我们对能力涌现的机制与方向还所知甚少。目前有少量研究探寻了涌现现象出现的可能原因，但只是一些初步探索，限于本文篇幅，我们会在下一篇文章中介绍这些研究。一些猜想包括：涌现可能只是一种外在表现，因为我们对任务的评价指标不够平滑；很多任务是由多步骤构成，随着模型规模变大，如果每个步骤都更准确了一点点，最终的整体正确率会大幅提升，就会体现成“涌现”现象。在本文最后的最后，我想说一个题外话。我最初看到论文Beyond The Imitation Game: Quantifying And Extrapolating The Capabilities Of Language Models的时候，被它的首页吓到了，然后是一种感动油然而生：在作者署名那里，密密麻麻地列举了来自132个机构的442位作者，他们在2022年密切合作，在人类未曾涉足的前沿领域探索。纵观最近1-2年人工智能领域的论文，几乎没有仅仅2-3位作者署名的，都是5-6位或者10多位作者的联合署名，比如微软关于GPT-4的论文就有14位作者署名、Google关于超大模型PaLM的论文有67位作者。如今在诸多前沿领域，比如量子计算、人工智能、航天科学、核聚变等等，都需要非常复杂的多学科交汇，人类的进步不仅仅依靠一两个天才，越来越是密切的组织与合作的结果。Beyond The Imitation Game: Quantifying And Extrapolating The Capabilities Of Language Models论文首页，密密麻麻地列举了132个机构的442位作者，感谢这些在人类前沿领域不断探索的人们。","news_type":1},"isVote":1,"tweetType":1,"viewCount":848,"commentLimit":10,"likeStatus":false,"favoriteStatus":false,"reportStatus":false,"symbols":[],"verified":2,"subType":0,"readableState":1,"langContent":"CN","currentLanguage":"CN","warmUpFlag":false,"orderFlag":false,"shareable":true,"causeOfNotShareable":"","featuresForAnalytics":[],"commentAndTweetFlag":false,"andRepostAutoSelectedFlag":false,"upFlag":false,"length":18,"xxTargetLangEnum":"ZH_CN"},"commentList":[],"isCommentEnd":true,"isTiger":false,"isWeiXinMini":false,"url":"/m/post/244657399623800"}
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