文章ChatGPT：原理、特点与未来前景

AIGC与游戏8mos agoupdate lida

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文章主题：强大的基座模型能力（InstructGPT），高质量的真实数据（精标的多轮对话数据和比较排序数据），以及性能稳定的强化学习算法（PPO算法）。

666ChatGPT办公新姿势，助力做AI时代先行者！

引言 | 本栏目特邀腾讯知名语言文本项目算法工程师冉昱、薛晨，用专业视野带你由浅入深了解ChatGPT技术全貌。它经历了什么训练过程？成功关键技术是什么？将如何带动行业的变革？开发者如何借鉴ChatGPT思路和技术，投入到日常工作中？期望本文能给你新的灵感。

ChatGPT主要特点

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尚未发布任何学术论文，仅发布了一些博客文章和试验性API。然而，从这些博客文章的技术细节和示意图中，我们可以看出它与今年初公布的InstructGPT的核心理念不谋而合。ChatGPT的关键优势主要源于三个方面：强大的基础模型能力（InstructGPT）、高质量的真实数据（既纯净又丰富）以及强化学习（PPO算法）。以上这三个要素，我们将在文章的第二部分中进行深入探讨。

2）ChatGPT的主要特点

让用户印象深刻的特点在于它拥有卓越的语言理解和生成能力。无论是对话技巧、文本创作还是对各种语言表述的理解，ChatGPT都表现出了超凡的实力。作为一款以对话形式存在的AI助手，ChatGPT能够应对各种日常问题，同时具备出色的记忆能力和篇幅扩展能力。与GPT3等大型语言模型相比，ChatGPT的回答更为全面，可以从多个角度和维度进行全面回答和阐述。相比过去的大规模模型，ChatGPT让知识得到了更为充分的挖掘。ChatGPT的出现，不仅降低了人类的学习成本，也节省了时间成本。它可以满足人类大部分的日常需求，例如迅速为人类改写目标文字、展开大篇幅的续写和创作小说以及快速定位代码中的bug等。总而言之，ChatGPT是一款强大且实用的AI助手，为人类的日常生活带来了极大的便利。

值得注意的是，ChatGPT具备安全机制及消除偏见的特性。在过去的大型模型中，此类问题经常出现，但ChatGPT对此进行了优化，引入了过滤处理机制。当面对不适当的问题或请求时，它可以作出拒绝以及较为圆滑的回应。举例来说，针对违法行为的问题，ChatGPT能够做出相应的回应。

对于未知事物的“拒绝”：

ChatGPT虽然堪称人工智能助手中的佼佼者，但它也并非完美无缺。在分析它的优缺点时，我们需要将其拆分成几个部分来探讨。首先，在逻辑问题上，ChatGPT仍然存在明显的不足，其表现并不十分稳定，相较于GPT3而言，尽管有所改善，但在某些情况下仍会出现失误。尤其是在涉及对话历史时，ChatGPT更容易受到用户引导而产生偏颇的回答。因此，在实际应用中，我们需要对ChatGPT保持谨慎的态度，并尽可能地减少其可能带来的负面影响。

其次，ChatGPT偶尔会提供看似合理，但实际上错误或荒谬的答案。许多答案需要用户自行判断其正误，特别是在用户自身未知的状态下咨询模型时，更是难以辨别真假。ChatGPT的出现使得生产商可以以较低的成本传播错误信息，这一固有缺陷已经带来了一定的实际影响。编程问答网站StackOverflow宣布暂时禁止用户发布源自ChatGPT生成的内容，网站mods表示，看似合理但实际上错误的回答数量过多，已经超出了他们的处理范围。

ChatGPT在处理不安全 prompt 时表现出一定的不足，同时存在对用户意图猜测不准确的问题。在用户提问意图模糊的情况下，ChatGPT往往会进行猜测，理想情况下应提示用户澄清。然而，当用户的意图并不明确时，ChatGPT可能会提供不恰当的回答。从大量用户的反馈来看，ChatGPT的部分回复过于冗长、句式固定，且过度使用了某些常用短语和句式。这种情况可能与训练数据中用户倾向于选择较长的回复有关。

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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