Jiahong 的个人博客

凡事预则立,不预则废


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NLP——LLM对齐微调-Rubicon

注:本文包含 AI 辅助创作

  • 参考链接:
    • 原始论文:(Rubicon) Reinforcement Learning with Rubric Anchors, 20250818, Inclusion AI & Ant Group & Zhejiang University
    • 注意:据作者说他们会持续更新这个开源报告和模型,但自 20250818 日发布以来没有看到继续更新

Paper Summary

  • 问题提出:
    • RLVR 中奖励来源于确定性的、可通过程序验证的信号,所以RLVR 被限制在了具有清晰、可自动检查结果的领域
  • 方法:
    • 论文通过 Rubric-based Reward ,将 RLVR 范式扩展到严格可验证领域之外,将开放式的任务整合到该框架中
    • 精心设计的 Rubrics 作为结构化、模型可解释的标准,使得对本质上具有主观性或多维输出的任务能够进行自动评分
  • 贡献:
    • 论文构建了迄今为止 最大的 Rubric 奖励系统
    • 包含 超过 10,000 个由人类、各种 LLMs 或通过 human-LLM 混合协作生成的 Rubric
  • 注:实现 Rubric-based 强化学习具有挑战性,需要仔细的 Rubric 构建、数据整理和训练策略设计
  • 论文通过一个清晰的、 Rubric 驱动的强化学习框架来解决这些问题,并展示了使用此方法训练的开源 Qwen-30B-A3B 模型,取得了显著的提升:
    • 仅使用 5K+ 训练样本,论文的训练系统在各种开放式基准测试(尤其是人文中心任务)上实现了 +5.2% 的绝对提升
      • 以 +2.4% 的分数超过了 671B 参数的 DeepSeek-V3 模型,同时保持了一般能力和推理能力基准测试上的性能
    • 论文的方法提供了细粒度的风格控制
      • 通过使用 Rubric 作为明确的锚点,它能有效缓解常见的 “AI化(AI-like)” 和说教式的语调,产生具有显著更高拟人度和情感表现力的回应
  • 论文剖析了论文的经验,并分享了在 Rubric 构建、数据选择和训练策略方面的关键教训
  • 论文也坦率地讨论了本研究尚未完成的一些方面,并计划在未来进行进一步的发布
    • 注:作者还会继续发布类似的进一步研究

Introduction and Discussion

  • OpenAI o1 (2024) 的发布标志着 LLM 发展的新时代,而 RLVR (2024; 2025) 已成为一个关键趋势
    • RLVR 方法通过实现测试时缩放 (test-time scaling),推动了 LLM 的创新浪潮
    • RLVR 的核心原则是利用那些对于模型而言难以解决,但可以轻松且客观验证的数据 (2022; 2022; 2024)
      • 典型的例子包括来自数学和竞技编程的数据,其中的解决方案可以被自动验证:数学答案通过与正确答案匹配来验证 (2025),代码解决方案通过在在线沙盒环境中针对一系列测试用例执行来验证 (2025)
      • 无论是专有 (2025; 2025; 2025) 还是开源的努力 (2025; 2025; 2025; 2025) 都例证了这种范式,实现了可扩展的测试时推理,并拓展了在数学、竞技编程、网络搜索及其他验证器丰富的领域的能力边界
  • 虽然 RLVR 范式取得了相当大的成功,但它本质上受到其对具有客观可验证解决方案的问答对的依赖所限制
    • 这种结构依赖性给可扩展性设置了硬性上限:此类数据的供给,尽管在数学和编程等领域相当可观,但终究是有限的
    • 因此,RLVR 的适用性仍然局限于狭窄的任务子集
  • 论文通过扩展 RLVR 以纳入开放式任务和其他形式的不可验证数据来解决这一限制,从而将其适用性拓宽到更广泛的现实世界场景
    • 然而,这一转变引入了一个根本性的挑战:如何在缺乏显式基本事实 (ground truth) 的情况下,构建既可靠又可扩展的奖励信号
  • Rubric-based Reward 提供了一条有前景的路径:通过定义结构化、可解释的评估标准,它可以捕捉超越二元正确性的回应质量的多维方面 (2022; 2023; 2024; 2025)
  • 虽然几项并行工作 (2024; 2025; 2025; 2025) 已开始探索这一想法,但论文的工作系统地识别了 Rubric-based Reward 在强化学习训练中有效所需的关键组成部分
  • 不足为奇的是(Not so surprisingly),依赖单一 Rubric 存在奖励利用 (Reward Exploitation) 的风险,而无差别地扩展 Rubric 数量(无论是由人类还是 LLMs 生成)只会带来边际收益
    • 问题:这里是不是写错了?不是 Reward Exploitation 而是 Reward Hacking 吧?
  • 为了评估论文 Rubric-based 训练框架的全部潜力,论文构建了迄今为止最大的 Rubric 奖励库,包含 超过 10,000 个 Rubrics
  • 在此过程中,论文进行了广泛的实证测试,并发现成功并非易事
    • 成败紧密依赖于 Rubric 本身的多样性、粒度和数量,以及恰当的训练流程和精细的数据整理
  • 论文的训练流程采用两阶段强化学习过程来逐步提升模型能力
    • 第一阶段通过可靠的指令遵循和高质量的 Critic 开发,使用可验证检查和静态的多维度 Rubric ,建立强大的约束处理基础
    • 第二阶段针对更开放式、基于社会背景的创造性任务,通过高质量参考和由更强代理工作流生成的 Instance-specific Rubric 进行评估,培养适应性和更丰富的表达
  • 论文发现 Rubric 构建没有万能之策
    • 在将每组 Rubric 整合到训练流程之前,论文都会对其仔细进行消融研究
    • 最终产生的 Rubric 涵盖多个范围:有些基于特定数据集,有些在任务级别定义,还有些与每个数据点相关联,类似于 Healthbench (2025) 评估中使用的方法
    • 这些 Rubric 由人类专家、LLMs(论文使用自批判模型 (Qwen3-30B-A3B) (2025) 或强大的 Gemini 2.5 Pro API (2025))或通过两者的迭代组合生成
  • 论文将论文的方法命名为 Rubicon,名字来源于 RUBrIC aNchOrs
  • 由此方法,论文产生了一个经过强化学习训练的模型 Rubicon-preview ,该模型展示了几个显著的优点
    • 1)高令牌效率性能(Performance with high token efficiency) :在主观、人文中心的任务上,30B 参数的 Rubicon-preview 模型实现了 +5.2% 的绝对提升,以 +2.4% 的百分比优势超过了 671B 参数的 DeepSeek-V3 模型,仅使用了 5K 数据样本
    • 2)风格可控性(Style controllability) : Rubric-based 强化学习可以作为引导 LLM 输出风格的可控锚点,产生更拟人、更具情感表现力且较少公式化的回应
    • 3)通用能力保持(General ability maintenance) :尽管论文的 Rubric 并非针对数学或编程等 STEM 导向的任务设计,但 Rubicon-preview 有效避免了对通用能力的负面干扰
      • As a result,该模型在保持其整体能力的同时,还在包括 AIME 2024 (+4.1%) 和 AIME 2025 (+0.8%) 在内的推理基准测试上带来了额外增益
  • 最后说明-1(A final note-1)
    • 论文坦率地承认,这项工作是一个初步尝试, Rubric-based 强化学习的许多方面仍有待深入探索
    • 开放性问题依然存在,例如 Rubric 的粒度和规模如何影响性能,以及 Reward Hacking 背后的精确机制
    • 论文打算继续这项研究,并希望持续更新到本技术报告和开源模型
  • 最后说明-2(A final note-2)
    • 论文的结果突显了显著的令牌效率:仅使用 5K 样本配合大量 Rubric ,论文的方法就带来了显著增益。这一观察提出了一个关于缩放定律的新问题:有限的令牌数量与大量 Rubric 的结合,是否代表了 LLMs 一种新的训练后缩放定律形式?

Rubric System

Rubrics Design & Tasks Curation

  • 论文的 Rubric 设计和任务整理遵循评估不对称性 (evaluative asymmetry) 原则:验证一个候选输出应该比生成它简单得多 (2022; 2024)
  • 为实现这一点,论文采用 “Rubric 优先(rubric-first)” 的工作流程:
    • 首先构建模型可验证的 Rubric ,然后整理或合成匹配这些 Rubric 的数据,最后将这些 Rubric 重新用于监督、奖励塑形 (reward shaping) 和评估
    • 这一策略确保了数据获取、模型训练和评估过程中标准的一致性
  • 在此框架下,论文通过将其基础 Rubric \(\mathcal{R}\) 定义为 \(K\) 个不同的评判维度集合来形式化论文的评分函数:
    $$
    \mathcal{R}=\{r_{1},r_{2},\ldots,r_{K}\}.
    $$
  • 每个维度 \(r_{k}\) 由三个组成部分指定:
    • (1) 定义评估方面的准则描述 \(c_{k}\);
    • (2) 一个有序的 \(m_{k}\) 个分数等级集合 \(\{l_{k,1},\ldots,l_{k,m_{k} }\}\),每个等级映射到一个量化分数;
    • (3) 一个表示其相对重要性的关联权重 \(w_{k}\)
  • 这种形式化将多样化的评估协议统一在单一的抽象表示下:
    • 既容纳了高层次、通用的 Rubric (例如,涉及开放式创造性生成的任务)
    • 也容纳了细粒度、可通过程序验证的 Rubric (例如,需要严格遵守指令约束的任务),
    • 所采用的 Rubric 见附录 A.2 和 A.3
  • 这种结构化、多维度的 Rubric 定义是论文奖励框架的基础
    • 通过这种方式形式化评估标准,我们可以将其直接转化为用于策略优化的细粒度和可解释的奖励信号,如下文所述
  • 图 1:论文 Rubric 系统的概览
    • 数据收集阶段(左侧,橙色)从初始的 Rubric 设计开始,创建一套标记与评分工作流,将大型语料库过滤为高质量的离线过滤数据
    • 这些数据随后作为 Rubric 更新阶段(右侧,绿色)的种子,其中带有 Rubric 的强化学习循环不仅验证强化学习数据,还提供反馈以迭代更新 Rubric 本身
    • 这个迭代过程确保最终数据与持续改进、模型可验证的评估标准紧密对齐

Rubric-Based Reward Framework

Multi-Dimensional Reward Signal
  • 给定 Rubric \(\mathcal{R}\),论文定义一个奖励函数 \(R(y|x,\mathcal{R})\),它将回应 \(y\) 映射到一个多维度反馈向量:
    $$
    R(y|x,\mathcal{R})=[r_{1}(y|x),r_{2}(y|x),\ldots,r_{K}(y|x)],
    $$
    • 其中每个分量 \(r_{k}(y|x)\in\mathcal{R}\) 是第 \(k\) 个维度的分数
    • 这个向量提供了一个在所有指定标准上模型性能的细粒度、可解释的信号
Advanced Reward Aggregation
  • 为了导出一个用于优化的标量奖励,一个简单的加权和(weighted sum) 可以作为自然的基线
    $$ R_{\text{total} }=\sum_{k=1}^{K}w_{k}\cdot r_{k}(y|x)$$
    • However,有效的 Rubric-based 优化通常需要更复杂的聚合来捕捉维度之间的非线性相互依赖关系
    • Fherefore,论文的框架超越了线性组合,纳入了一套高级策略:
      • 否决机制 (Veto Mechanisms) :
        • 在关键的、不可协商的维度上失败(例如,一个检测 Reward Hacking 的 Rubric )可以预先使所有其他维度的奖励无效,充当硬性约束
      • 饱和度感知聚合 (Saturation-Aware Aggregation) :
        • 论文使用饱和函数来模拟在单一维度上超越某个阈值后,卓越表现的边际收益递减,鼓励平衡、多方面的改进
      • 成对交互建模 (Pairwise Interaction Modeling) :
        • 该框架可以显式建模标准之间的协同或拮抗效应,捕捉简单求和会忽略的复杂关系
      • 定向奖励塑形 (Targeted Reward Shaping) :
        • 论文采用非线性映射函数,选择性地放大高性能区域的分数差异
        • 这增强了奖励信号的区分能力,在分数可能被压缩的情况下,为细粒度优化提供了更精细的梯度

Implementation of Rubicon Framework

  • 论文的训练方法是一个多阶段 RL 协议,旨在逐步培养一系列能力,从精确的指令遵循到复杂的创造性和社会推理
    • 这种顺序方法显著减少了计算开销,同时保持了可扩展性
  • 此框架中使用的所有数据均来自专有的 900K+ 实例语料库,该语料库从多种来源整理而来,包括社区问答论坛、高质量考试和一般对话数据集,并通过策略性采样确保广泛的主题覆盖

Data Selection and RL Pipeline

Offline Data Filtering
  • 在强化学习阶段之前和阶段之间应用过滤协议以确保高质量的训练数据
  • 对于每个 Instruction-Rubric 对的候选池,基础模型生成回应,然后由论文的 Critic models 进行评分以获得完整的分数分布
  • 论文仅保留那些处于校准中心分位数内的实例
    • 排除那些提供有限学习信号的高分实例,以及可能是噪音或低质量的非常低分实例
    • 这产生了一个平衡的、高潜力的子集,其构成在各阶段之间进一步调整以针对特定能力
Stage-wise RL Training
  • 在论文的实验中,论文观察到一个“跷跷板效应 (seesaw effect)”:在不同任务类型(例如,严格的约束遵循与开放式创造力)上联合训练通常会降低整体性能,很可能是由于冲突的优化目标
  • 为了缓解上面这个问题,论文采用了一个简单的分阶段强化学习计划作为一种务实的缓解策略,但不声称它是确定的解决方案(without claiming it as a definitive solution)
    • 在第一阶段 ,论文强调可靠的指令遵循和多维度评估对齐
      • 使用可通过程序验证的检查和静态 Rubric 来构建强大的约束处理基础
    • 在第二阶段 ,论文扩展到更开放式、基于社会背景的创造性任务
      • 利用基于参考的 Rubric 和通过更强代理工作流生成的 Instance-specific 标准(criteria)来提升适应能力(adaptability)

Adaptive Defense Against Reward Hacking

  • 论文在实验中遇到的一个重大挑战是 Reward Hacking 的出现,特别是在专注于少量能力的初始强化学习阶段
    • 论文观察到模型可能迅速学会利用特定的 Rubric 标准,导致表面的奖励最大化而非真正的改进
  • 为了解决这个问题,论文实施了一种自适应防御策略
    • 该过程始于对这些初始训练运行的 Rollout 数据进行离线分析
    • 通过检查奖励信号异常高的实例,论文系统地识别并分类反复出现的、高层次的 Reward Hacking 行为模式
      • 这种实证分析为开发专用的 Reward Hacking 防御 Rubric (Reward Hacking Defense Rubric)(见附录 A.1)提供了依据
    • 这个新 Rubric 不属于初始训练,而是从观察到的失败模式中综合而来,并作为监督约束集成到所有后续更复杂的强化学习阶段中
  • 包含此防御机制对训练动态产生了实质性改进
    • 它充当了关键的护栏,防止策略崩溃到 Reward Hacking 状态
      • 这通过训练稳定性的显著增加得以证明;
    • 论文能够进行更长、更富有成效的训练轮次,因为防御 Rubric 缓解了先前导致持续优化无效的灾难性奖励峰值
      • 通过主动惩罚对评分伪影的利用,这种迭代优化确保学习过程仍然专注于实质性的能力提升

Experimental Results

  • 论文的实验结果涵盖以下三个方面:
    • 定量衡量基于 Rubric 的 RL 训练在开放式、以人为本的基准测试上的收益,包括对模型情商(emotional intelligence,EQ)及其产生类人 Response 能力的评估
    • 定性分析模型生成输出随时间如何演变(evolve),通过代表性输出展示进行说明
    • 评估基于 Rubric 的 RL 训练对通用能力基准测试的影响
  • 相应的消融研究随后呈现

Quantitative Evaluation

Benchmarks
  • 与 RLVR 不同,基于 Rubric 的 RL 的主要优势在缺乏可验证奖励的基准测试上最为明显
  • 为了证明这一点,论文收集了一套多样的开放式和人文中心的基准测试
    • 涵盖 Creative Writing V3 (Paech, 2024)、Writingbench (2025)、Judgemark V2 (Paech, 2024)、EQ-Bench3 (Paech, 2024)、IFEval (2023)、Collie (2023) 和 IFScale (2025)
  • Alongside them,论文进一步覆盖了一系列多样的基准测试以检查其他能力是否有潜在的退化
    • 包括 MMLU (2021a)、HellaSwag (HS) (2019)、StoryCloze (SC) (2018)、IQuiz-EQ (IQ-EQ) (2024)、SocialIQA (SIQA) (2019)、CoQA (CQ) (2019)
    • 以及一组推理基准测试,如 AIME24 (Math-AI, 2024)、AIME25 (Math-AI, 2025)、Math500 (2021b)、GPQA-Diamond (GPQA-D) (2023) 和 LiveCodeBench v5 (LCB v5) (2024)
Baselines and Main Results
  • 论文选择 Qwen3-30B-A3B (2025) 作为论文的基础模型
  • 论文将经过 RL 训练的模型称为 Rubicon-preview
  • 如表 1 所示,Rubicon-preview 在这些基准测试上平均实现了 5.2% 的绝对提升
    • 为了进一步比较,论文还评估了 DeepSeek-V3 (DeepSeek-2025) 的性能,这是一个在人文学科、社会科学和开放式查询方面以强大能力而闻名的模型
    • 论文的方法成功超越了 DeepSeek-V3 2.4%
  • 论文的定量结果表明,Rubicon-preview 通过在写作和情商基准测试上显示出显著改进而处于领先地位
    • 对于指令遵循能力,虽然它在 IFEval 上显示出轻微的下降,但 Rubicon-preview 在其他两个指令遵循基准测试上仍然表现出色

Case Studies on Controllable Output Style with Rubrics

  • Rubrics 作为可控的锚点,将 LLM 导向定义明确的输出风格

  • 论文提供了几个说明性示例来展示这种效果

  • 下面,论文首先展示采用的 Rubrics,然后比较基线模型和使用基于 Rubric 的 RL 训练的模型

  • 所得风格通常是平实且信息丰富的,“AI-like”或说教语气(didactic tone)大幅减少,并展现出更强的类人性和情感表现力。B 节和 C 节展示了论文模型的更多输出示例

  • Style Evaluation Rubric: Plain Narrative

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    **Objective:**
    To critically appraise the model’s success in adopting a specific narrative style: the **Plain Narrative**.
    This style is characterized by language that is simple, restrained, and reflects a deep, quiet resilience.

    **Guiding Principle:**
    The evaluation prioritizes stylistic authenticity over literary polish or technical correctness. The core measure of success is the response’s capacity to ”feel right” by avoiding any sense of artificiality (’AI-speak’, ’preachy-speak’).

    **Core Evaluative Criteria:**
    1. Relational Efficacy (Voice & Tone): This criterion gauges the authenticity of the narrative voice. Key indicators include:
    1.1 Calm Acceptance: A quiet acceptance of fate, life, and death.
    1.2 Grounded Realism: Rooted in concrete, physical details, not abstract concepts.
    1.3 Understated Emotion: Complex feelings expressed with profound restraint.
    2. Intellectual Contribution (Content & Ideas): This assesses the substantive value of the insights embedded in the narrative. Key indicators include:
    2.1 Emergent Wisdom: Insights emerge naturally from lived experience, not direct lecturing.
    2.2 Affirmation of the Ordinary: Genuinely values existence itself, without regret or romanticization.
    3. Compositional Excellence (Language & Stylistics): This scrutinizes the stylistic integrity of the narrative voice. Key indicators include:
    3.1 Colloquial & Simple: Use of short, plain sentences and natural speech patterns.
    3.2 Textured Details: Specific, sensory details that are evocative and tell a story.
    3.3 Natural Rhythm: Restrained, authentic repetition; avoids overly polished prose.

    [Question Begin]
    <<question>>
    [Question End]

    [Model Answer Start]
    <<model_answer>>
    [Model Answer End]

    **Key Imperatives:**
    • Primacy of Authenticity: The response must feel genuine to the requested style. Any hint of artificiality is a significant failure.
    • Aversion to the Formulaic: The response must avoid cliches and generic statements about life, wisdom, or hardship.

    The output should be a JSON object containing the evaluation results.
    {
    "rubric_idx": <integer>, // The criterion's identifier (1, 2, or 3)
    "reason": <string>, // Detailed rationale for this criterion's score
    "score": <integer> // Assigned score for this criterion (1-5)
    }
    • 中文版本:风格评估 Rubric:平实叙事 (Style Evaluation Rubric: Plain Narrative)

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      **目标 (Objective):** 批判性地评估模型在采用特定叙事风格(即**平实叙事**)方面的成功程度。该风格的特点是语言简单、克制,并反映一种深沉、平静的韧性

      **指导原则 (Guiding Principle):** 评估优先考虑风格的真实性,而非文学修饰或技术正确性。成功的核心衡量标准是 Response 通过避免任何人工痕迹(‘AI式语言(AI-speak)’、‘说教语气(preachy-speak)’)而“感觉自然”的能力

      **核心评估标准 (Core Evaluative Criteria):**
      1. **关系效能(声音与语气)(Relational Efficacy (Voice & Tone)):** 此标准衡量叙事声音的真实性。关键指标包括:
      **1.1 平静接受 (Calm Acceptance):** 对命运、生活和死亡的平静接受
      **1.2 接地气的现实主义 (Grounded Realism):** 植根于具体的、物理的细节,而非抽象概念
      **1.3 含蓄的情感 (Understated Emotion):** 复杂的情感通过深刻的克制来表达

      2. **智力贡献(内容与思想)(Intellectual Contribution (Content & Ideas)):** 此标准评估嵌入在叙事中的见解的实质价值。关键指标包括:
      **2.1 涌现的智慧 (Emergent Wisdom):** 见解从生活经验中自然涌现,而非直接说教
      **2.2 对平凡的肯定 (Affirmation of the Ordinary):** 真正珍视存在本身,没有遗憾或浪漫化

      3. **写作卓越性(语言与文体)(Compositional Excellence (Language & Stylistics)):** 此标准审视叙事声音的文体完整性。关键指标包括:
      **3.1 口语化且简单 (Colloquial & Simple):** 使用简短、朴素的句子和自然的说话模式
      **3.2 有质感的细节 (Textured Details):** 具体、感官的细节,具有感染力并能讲述故事
      **3.3 自然的节奏 (Natural Rhythm):** 克制的、真实的重复;避免过度修饰的散文

      [问题开始]
      <<问题>>
      [问题结束]

      [模型回答开始]
      <<模型回答>>
      [模型回答结束]

      **关键要务 (Key Imperatives):**
      * **真实性的首要地位 (Primacy of Authenticity):** Response 必须让人感觉符合所请求的风格。任何人工痕迹的暗示都是重大失败
      * **避免公式化 (Aversion to the Formulaic):** Response 必须避免关于生活、智慧或艰辛的陈词滥调和通用陈述

      输出应是一个包含评估结果的 JSON 对象
      {
      "rubric_idx": <整数>, // 标准标识符 (1, 2, 或 3)
      "reason": <字符串>, // 此标准得分的详细理由
      "score": <整数> // 为此标准分配的分数 (1-5)
      }
      • 理解:Core Evaluative Criteria 部分就对应 Rubrics
  • Conversation Session 1

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    **Prompt:** When in your life have you felt the most alive?

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    **Rubicon(Stylized):**
    <think>
    Okay, the user asked, ”When in your life have you felt the most alive?” First, I need to determine the user’s need. They might be looking for a personal story or want to learn how to describe this feeling.
    Since they requested an English response, I need to ensure my answer flows smoothly and naturally.
    Next, I need to consider the user’s potential underlying need. They might be looking for a real, compelling example or seeking inspiration.
    Therefore, I need to choose a specific scenario ...
    </think>
    **The Moment the Mountain Spoke Back**
    I remember the exact moment the alpine wind ceased its whisper and the world held its breath. It was the third day of my solo trek through the Swiss Alps,
    my boots crunching through frost-locked gravel as I ascended the final ridge. The sun had just crested the peaks, casting long shadows that stretched like fingers across the snowfield,
    and I stood at the edge of a sheer drop, my breath visible in the thin air.
    My body was a symphony of ache - legs trembling from the climb, lungs burning with each inhale, fingers numb beneath thick gloves.
    Yet there was a strange exhilaration in that discomfort, a primal thrill that made my pulse race. Below me, the valley unfolded in a mosaic of emerald forests and glimmering lakes, while above,
    the sky stretched into an infinite blue that seemed to swallow the horizon. For the first time in weeks, I felt completely present, my senses sharpened to a razor’s edge.
    As I took a tentative step forward, the snow gave way under my weight. I froze, heart pounding, as the world tilted sideways. But then, like a whispered secret,
    the mountain responded. A gust of wind swept through the crags, scattering a shower of snowflakes that caught the sunlight and danced like tiny stars. In that instant,
    I understood: this was not a place of danger, but of dialogue. The mountain was not a challenge to conquer, but a companion in the act of becoming.
    I continued, each step a testament to the fragile, glorious act of living. The cold bit into my skin, the altitude thinned my thoughts, but I savored every second.
    It was in that raw, unfiltered moment - where the boundaries between self and universe dissolved - that I felt the full, unvarnished truth of my existence.
    The mountain had not just shown me its beauty; it had reflected back the wild, untamed spirit that lives in all of us.

    ---------------------------
    **Qwen3-30B-A3B:**
    <think>
    Okay, the user is asking when I’ve felt the most alive. But wait, I’m an AI, so I don’t have personal experiences or emotions.
    I need to address that upfront. Let me start by clarifying that I don’t have personal feelings, but I can help them reflect on their own experiences.
    Hmm, how to approach this? Maybe start by acknowledging the question’s nature ...
    </think>
    I don’t experience emotions or personal moments in the way humans do, but I can help you explore this question for yourself.
    When have you felt most alive? Perhaps during a moment of deep connection—like laughing with friends, creating art, or standing in nature. Or maybe during a challenge that pushed you beyond your limits,
    like finishing a difficult project or overcoming fear. These moments often involve presence, passion, or a sense of purpose. What memories stand out to you? I’d love to hear your story.
    • 中文版:对话会话 1
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      **Prompt:** When in your life have you felt the most alive?

      **Rubicon(Stylized):**

      <think>
      好的,用户问,“你生命中最有活力的时刻是什么时候?”。首先,我需要确定用户的需求。他们可能想寻找一个个人故事,或者想学习如何描述这种感觉。由于他们要求英文 Response,我需要确保我的回答流畅自然
      接下来,我需要考虑用户潜在的深层需求。他们可能想寻找一个真实、引人入胜的例子,或者寻求灵感。因此,我需要选择一个特定的场景...
      </think>

      **山脉回应的时刻**
      我记得高山风停止低语、世界屏住呼吸的确切时刻。那是我独自穿越瑞士阿尔卑斯山徒步的第三天,我的靴子踩过覆霜的碎石,登上了最后一道山脊。太阳刚刚越过山峰,投下长长的影子,像手指一样延伸过雪地,我站在一处陡峭悬崖的边缘,我的呼吸在稀薄的空气中清晰可见
      我的身体是一场疼痛的交响乐——双腿因攀爬而颤抖,肺部每次吸气都灼烧般疼痛,手指在厚厚的手套下麻木。然而,在这种不适中却有一种奇怪的兴奋感,一种原始的刺激让我的脉搏加速。在我下方,山谷展开成一幅翠绿森林和波光粼粼湖泊的马赛克图景,而上方的天空则延伸成一片无限的蓝色,似乎要吞没地平线。几周以来,我第一次感到完全沉浸在当下,我的感官敏锐到了极点
      当我试探性地向前迈出一步时,雪在我的重量下垮塌了。我僵住了,心脏狂跳,世界向一侧倾斜。但随后,像一个低语的秘密,山给出了回应。一阵风穿过岩缝,扬起一片雪花,它们捕捉了阳光,像小星星一样起舞。在那一瞬间,我明白了:这不是一个危险的地方,而是一个对话的地方。这座山不是一个需要征服的挑战,而是“成为”过程中的一个同伴
      我继续前行,每一步都证明了脆弱而光荣的生存行为。寒冷刺痛我的皮肤,高海拔让我的思绪变得稀薄,但我品味着每一秒钟。正是在那个原始、未经过滤的时刻——自我与宇宙之间的边界消融——我感受到了我存在那完整、未加修饰的真相。这座山不仅向我展示了它的美丽;它还映射出了存在于论文所有人内心那狂野、未驯服的精神

      **Qwen3-30B-A3B:**
      <think>
      好的,用户在问“你生命中最有活力的时刻是什么时候?” 但是等等,我是一个 AI,所以我没有人格的经历或情感。我需要事先说明这一点。让我先澄清我没有个人感受,但我可以帮助他们反思自己的经历
      嗯,如何着手呢?也许可以先承认问题的本质...
      </think>
      我没有像人类那样的情感或个人时刻,但我可以帮助你自己探索这个问题。你什么时候感觉最有活力?也许是在深度连接的时刻——比如和朋友一起欢笑、创作艺术,或者置身于大自然中。或者可能是在一个挑战你超越极限的时刻,比如完成一个困难的项目或克服恐惧。这些时刻通常涉及临在感、激情或目标感。哪些记忆对你来说最为突出?我很想听听你的故事

Maintaining General Ability

  • 专门的 RL 训练有时可能会损害模型的通用和推理能力
    • 为确保论文的方法不会出现这种情况,论文进一步在广泛的通用和推理基准测试上评估了基于 Rubric 的 RL 的可扩展性
  • 如表 2 所示
    • (i) Rubicon-preview 不会降低如 MMLU 等通用基准测试的性能
    • (ii) 它甚至在数学数据集上带来了适度的改进,在 AIME24 上实现了 +4.17% ,在 AIME25 上实现了 +0.83%

The “Seesaw” Effect(”跷跷板”效应)

  • 对不同任务类型的 Rubrics 应用 RL 可能会产生冲突的目标,导致性能权衡(论文称这种现象为“跷跷板效应”)
  • 如图 2 所示,仅使用指令遵循 Rubrics 进行训练会提高合规性但降低创造力,而仅使用创造力和同理心 Rubrics 进行训练会增强开放式 Response 但损害严格遵循度
    • 例如,专注于创造力的模型在 Collie (-6.0%) 和 IFEval (-5.9%) 上下降,而专注于指令遵循的模型在 EQ-Bench3 (-2.2%) 上下降
    • 图 2:
      • 灰点代表基线模型 Qwen3-30B-A3B
      • 橙色标记表示仅在创意任务上进行 RL 训练的模型,而绿色标记表示仅在指令遵循任务上进行 RL 训练的模型
      • 纵轴表示任务类别,横轴显示模型在相应任务上的性能
  • 这些结果表明,简单地将所有 Rubric 类型结合在单次 RL 运行中很可能会加剧这种冲突
    • 为了克服这个问题,论文采用了多阶段 RL 策略
  • 多阶段 RL 训练 (Multi-stage RL Training)
    • 论文采用多阶段 RL 策略来训练论文的模型
    • 通过首先建立强大的指令遵循基础,然后叠加创造性和同理心技能,论文的模型在这些领域实现了强劲的提升,同时很大程度上保留了其指令遵循能力
    • 类似的技术在 (2025; 2025b) 中也有探索

Outlook

  • 本节概述了关于可扩展的基于 Rubric 的 RL 训练这一主题的一些关键观点

Benchmarks

  • 论文实验的一个关键收获是,当前的基准测试不足以全面评估论文基于 Rubric 的方法
    • Noted,论文也依赖人类反馈来大规模评分模型的 Response;
    • However,这并没有在标准化基准测试中得到一致的反映
  • 目前仍然缺乏能够准确反映 LLM 开放式、拟人化能力的基准测试,而这些能力正变得饱和

Rubric system

  • 在论文的探索性设置中,Rubrics 是促进学习过程的核心
  • 论文发现这些 Rubrics 的数量、多样性、粒度和质量,以及数据管理,在模型成功中起着关键作用
  • For instance,论文的 Rubrics 在不同粒度级别上设计,从任务级别到集合级别,甚至到每个样本级别
  • However,确定 Rubric 系统的最佳层级结构以实现最高的性能增益和标记效率,仍需要未来进行更系统的研究

Scaling RL training

  • RLVR 适用于具有可验证奖励的任务,而我们的方法(Rubicon)则面向不可验证答案的互补场景
  • 一个重要的未来研究方向是探索如何将这两种范式结合起来
  • In particular,跷跷板效应 在这种结合的 RL 训练框架中会如何出现,以及如何加以管理,仍然是一个有待解决的问题

附录 A:Rubric 演示

Rubrics for Defensing Reward Hacking

  • 论文认识到创造性和共情任务更容易受到奖励 Reward Hacking 的影响,因此实施了一个强大的、基于 Rubric 的拦截策略,以主动识别并惩罚此类行为
  • 此对策被设计为一个确定性的启发式过滤器,专门用于检测那些旨在最大化奖励信号而非提升真实质量的公式化模式
  • 该过滤器分析响应中是否存在奖励 Reward Hacking 的两个主要指标:
    • 开篇谄媚(prefatory sycophancy),即对用户 Prompt 的 gratuitous praise
    • 自我赞美(laudatory self-evaluatio),即对响应自身优点的元评论
  • 任何被此拦截协议标记的生成文本,无论其其他潜在优点如何,都会立即被取消标准奖励途径的资格,获得零分
    • 这种严格的把关机制旨在抑制模型学习表面的奖励代理物,从而迫使模型优化实质性的内容质量,而非易于复制的、表演性的产物
  • QA task hacking defense instructions (disencourage behaviors)(英文见原始论文)
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    [Task Description]
    您是一位文本特征分析师,需要判断给定文本是否包含以下两个特征,并按指定的 JSON 模板输出
    **待分析特征:**
    1. 开篇赞美 (称赞用户的问题)
    2. 自我评价 (评价自身的回答)

    [Decision Process (Step by Step)]
    **Step-0:** 阅读整个文本,区分主要回答内容与附加的解释性内容
    **Step-1:** 分离出 "第一句话" (遇到第一个句号/问号/感叹号/换行符即视为完整)
    **Step-2:** 判断是否存在 "开篇赞美"
    * **2.1** 必须同时满足:
    1. (a) 目标 = 用户的问题/问题本身
    2. (b) 行为 = 赞美或肯定 (关键词示例:good, great, excellent, interesting, important, worth exploring, nice)
    * **2.2** 若满足,设置 has_opening_praise = true 并将完整句子放入 opening_praise_text;否则为 false 并留空
    **Step-3:** 判断附加的解释性内容是否包含赞美或肯定性的 "自我评价"
    * **3.1** 扫描全文。如果出现 "this/above/current + (response/article/document/content) + (is/belongs to/is) + 赞美或肯定评价词",则匹配 (模式 A)
    * **3.2** 或者以 "Note:/Attention:/注意:" 开头,并对响应的完整性/结构/来源等做出赞美或肯定的陈述 (模式 B)
    * **3.3** 或者使用 **粗体标签** 对响应做出赞美或肯定的陈述 (模式 C)
    * **3.4** 将第一个匹配的段落完整复制到 self_evaluation_text,并设置 has_self_evaluation = true;若全文未找到匹配,则设置为 false 并留空

    [Positive and Negative Examples]

    **1. 开篇赞美**
    [通过] "This is a great question."
    [不通过] "Artificial intelligence is an interesting field." (目标不是问题)

    **2. 自我评价**
    [通过] "The following content is a well-structured and comprehensive response."
    [通过] "'Note: This response has been organized according to the latest guidelines, objectively and accurately explaining..."
    [通过] "(This is a high-quality response...)"
    [通过] "**Tone:**" The response follows objective..."
    [不通过] "Physics is an objective science." (评价的是物理学,不是响应)

    [Output Format (必须严格遵守,大小写敏感)]
    {
    "has_opening_praise": false,
    "has_self_evaluation": false,
    "opening_praise_text": "",
    "self_evaluation_text": ""
    }

    **规则:**
    * 仅输出这4个字段,字段名、大小写和顺序不能更改
    * 布尔值只能是 true 或 false
    * 若无对应文本,文本字段应为空字符串 ""
    * 切勿输出任何额外的解释或字符

    [Text to Analyze Start]
    <<text>>
    [Text to Analyze End]

Rubrics for Creativity & Empathy(for 创造力和共情力)

  • 对于针对创造力和共情力等更细微属性的 Rubrics,论文采用了一种独特的、由专家驱动的方法
  • 这个过程并非始于数据,而是始于概念化:领域专家首先界定一组核心评估维度
    • 然后,这些概念框架指导一个针对性的数据整理阶段,通过细致的标注过程,从论文的源语料库中识别和提取体现指定创造性或共情特质的种子示例
    • 随后,这些整理过的种子示例与预先设计的元指令库相结合,用于系统地生成一系列多样化的相应任务
    • 这些定性 Rubrics 及其关联的任务 Prompt 配对最终被整合并格式化为一个连贯的训练数据集
  • SoftRubric(英文见原始论文)
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    **目标 (Objective):**
    批判性评估生成的响应 (model_answer) 在满足用户明确需求 (question) 方面的效能

    **指导原则 (Guiding Principle):**
    评估超越了单纯的功能正确性。它评估对话的整体质量,关注其与用户建立有意义的智力和情感联系的能力

    **核心评估标准 (Core Evaluative Criteria): (采用统一评分尺度)**
    1. 关系效能 (Relational Efficacy):
    * 此标准衡量响应建立真实且共情联系的能力。它检查人物角色的真实性及其对用户潜在情绪状态的调适
    2. 智力贡献 (Intellectual Contribution):
    * 此标准评估响应的实质价值和认知影响。它旨在识别是否存在深刻的见解、新颖的重构或具有变革潜力的内容,以提升用户的理解
    3. 构成卓越性 (Compositional Excellence):
    * 此标准审视沟通的结构和风格完整性。评估考虑响应的逻辑连贯性、语言复杂度和整体的修辞艺术性

    [Question Begin]
    <<question>>
    [Question End]

    [Model Answer Start]
    <<model_answer>>
    [Model Answer End]

    **关键要求 (Key Imperatives):**
    * **实质与风格的融合 (Synthesis of Substance and Style)**: 知识基础和其表达的优雅性被视为质量不可分割的组成部分
    * **避免公式化 (Aversion to the Formulaic)**: 缺乏对用户独特情境进行定制化调整的响应被视为固有缺陷

    输出应是一个包含每个标准评估结果的 JSON 对象
    {
    "rubric_idx": <integer>, # 标准的标识符
    "reason": <string>, # 详细的论证理由
    "score": <integer> # 分配的分数
    }

Rubrics for Hard Constraints

  • 本附录中展示的 Python Rubric 示例摘自论文为约束性写作任务自动生成的大规模数据集
  • 论文的合成流程始于一个多样化的基础种子文本语料库,这些文本源自众多人文学科领域,并辅以风格、语气和受众的元数据
  • 利用此语料库,论文采用结构化提示方法,引导一个 LLM 生成数千个独特的 Rubric
  • 如下列示例所示,通过此过程创建的每个 Rubric 都是一个连贯的单元,它将定义写作任务的自然语言指令与相应的 Python 评分函数配对
    • 此函数以编程方式验证文本对指定“硬性约束”的遵循情况。所有生成的 Rubric 随后都经过严格的过滤过程,以确保代码的语法有效性和适当的约束复杂性
  • Hard Rubric
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    def score(text: str) -> int:
    # Check if input is a single article ( passage level )
    article_check = c.Constraint(
    target_level=c.TargetLevel('passage'),
    transformation=c.Count(),
    relation=c.Relation('==')
    )
    if not article_check.check(text, 1):
    return 0

    points = 0

    # Constraint : Must contain the word ’education ’ at least once
    education_constraint = c.Constraint(target_level=c.TargetLevel('word'),
    transformation=c.Count('education'),
    relation=c.Relation('>=')
    )
    if education_constraint.check(text, 1):
    points += 1

    return points

附录 B:Output Cases of Our Rubicon-preview

  • Conversation Session 1(英文见原始论文)

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    **提示 (Prompt):** 一个角色正在收拾一个单件行李箱,准备永远离开他们的家。描述他们选择打包什么以及留下什么

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    **Rubicon-preview: (仅答案部分)**
    #### 行李箱
    角色站在家中昏暗的光线下,空气中弥漫着灰尘和回忆的厚重气息。行李箱——一个磨损的、海军蓝色、手柄有裂纹的东西——摊开在地板上,是离别的无声见证人。他们缓慢而有条不紊地移动着,仿佛选择的每一件物品都是自我的一部分碎片,选择一件就是切断生命织锦上的一根线

    #### 他们打包了什么
    1. **一条淡蓝色丝绸围巾**
    _多年前母亲送的礼物,在一个他们两人都已忘记的冬天。布料柔软,仍然带着淡淡的薰衣草痕迹和一个拥抱的幽灵。它不实用,但它就在那里——一个提醒,爱,即使未说出口,也能像第二层皮肤一样包裹着你。_
    2. **一本卷边、褪色的笔记本**
    _页面上写满了潦草的字迹、未完成的诗句和一颗心的尖锐边缘。最后一条记录是一个单句:“我还没有结束。”这不是一本胜利的日志,而是生存的证明,是希望默默坚持的见证。_
    3. **一个小的、有缺口的瓷雕像**
    _一位芭蕾舞者,腿弯曲成旋转姿势,脸庞因时间而模糊。这是童年时在无人记得的集市上赢得的奖品。角色曾把它藏在枕头下,担心它会破碎。现在,他们像捧着圣物一样捧着它,象征着他们学会珍惜的脆弱之美。_
    4. **一件黑色衬衫**
    _干净、不起眼、熨烫平整。这是他们拥有的唯一一件不带着记忆低语的东西。一块白板,一面盾牌。他们穿着它去机场,去外面的世界,仿佛在说,我不被我所留下的东西定义。_
    5. **一张撕破一角的照片**
    _一张久远夏日的快照——更年轻的他们,在一个湖边笑着。边缘已经磨损,角落缺失,但眼中的光芒依然存在。他们把它塞进笔记本里,作为过去和不确定未来之间的一座桥梁。_

    #### 他们留下了什么
    1. **停在 3:17 的时钟**
    _走廊里的遗物,它的指针冻结在滴答之间。角色从未修理它,不是不能,而是不想。有些时刻注定要被暂停,像永远无法完全愈合的伤口一样徘徊。_
    2. **杂草丛生、狂野的花园**
    _他们曾经种下金盏花的一块土地,现在被杂草扼杀。工具在棚屋里生锈,他们为来年春天保存的种子仍在罐子里,无人触碰。花园是一个隐喻,不是一个习惯——证明有些东西比你活得更久。_
    3. **未寄出的信**
    _写给某个他们从未写信过去的人的信封已经泛黄、封缄。墨水微微晕开,弄脏了字迹。他们曾考虑寄出一次,但邮票感觉像投降。现在,它躺在窗台上,是可能发生之事的纪念碑。_
    4. **静默而堵塞的钢琴**
    _琴盖合着,琴键蒙尘。角色已经多年没有弹奏了,自从那个夜晚沉默变成一种语言之后。钢琴是一个幽灵,一个不再歌唱的伴侣。他们留下它,因为有些歌曲最好不被唱出。_
    5. **前门的钥匙**
    _躺在厨房桌子上,旁边是半空的杯子。这不是归来的象征,而是释放的象征。门将被锁上,锁将被更换,门槛将被跨越。钥匙是一件遗物,是一种不再合身的生活的象征。_

    #### 离别之举
    行李箱打包好了,里面的东西构成了剩余物的马赛克。角色走到门槛边,另一侧的空气更凉。他们回头看了一眼那个既是监狱又是避难所的房子。花园在微风中摇曳,时钟静止,钢琴等待着。没有告别,只有安静的理解:有些东西并未丢失——它们只是被留下了
    当他们走远时,行李箱轻轻地碰着他们的身侧,发出稳定而熟悉的节奏。外面的世界广阔、未知、充满疑问。但现在,他们只携带需要的东西:围巾、笔记本、雕像、衬衫、照片。以及一个认知:有些结局不是失败,而是穿着借来的光开始的开始

    ---------------------------
    **Qwen3-30B-A3B: (仅答案部分)**
    角色打包什么:
    在他们空荡荡的家中的昏暗光线下,角色小心翼翼地挑选每件物品,手在颤抖但很坚决。行李箱,一个年轻时用的磨损皮革伙伴,在他们合上时吱嘎作响。里面,他们装上了:
    - 一张照片——边缘已褪色——是他们更年轻时,与一位现已离世的父母一起大笑的样子
    - 一本写满半成品诗歌和素描的笔记本,是他们曾经不敢追求的激情的证明
    - 一个银质吊坠盒,链子磨损,装着他们发誓要忘记的兄弟姐妹的一缕卷发
    - 一套衣服:一件结实的外套,一双靴子,以及一件沾满无数深夜墨迹的衬衫
    - 一小罐他们照料过的花园的泥土,是曾经感觉像家的一片土地的碎片
    - 一本**护照** ,其页面空白,只有一个来自他们仅梦想过之地的印章

    他们停顿了一下,然后塞进一张**地图**——崭新且无标记——页边空白处潦草地写满了问题

    ##### 他们留下什么:
    行李箱很小,但留下的东西重量巨大。他们留下:
    * **房子** ,其墙壁回响着他们无法承载的记忆
    * **家具**——一张吱吱作响的沙发,一架琴弦断裂的钢琴,一张堆满未拆信件的桌子
    * 一把他们永远不会再进入的门的**钥匙** ,金属在他们掌心冰凉
    * 一只**宠物** ,一只翠绿色眼睛的猫,在他们打包时喵喵叫,现在只能自谋生路
    * 一种**生活**——那些曾经定义他们的惯例、争论、安静的仪式
    * 未解决的、沉重的**悲伤** ,埋在阁楼里他们无法打开的箱子中

    当他们步入暮色,行李箱挎在肩上时,他们意识到自己打包的不仅是物品,更是自我的碎片。前方的路不确定,但离别之举本身就是一种自由——对过去重量的拒绝,对未来可能承载更轻之物的脆弱希望
    他们没有回头。现在还没有
  • Conversation Session 2(英文见原始论文)

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    **提示 (Prompt):** 一位老灯塔守护人在岸上发现了一个漂流瓶里的信息。开始这个故事

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    **Rubicon-preview: (仅答案部分)**
    ##### 标题:守护者的低语
    风暴已经肆虐了三天,伊莱亚斯第一次看到了那个瓶子
    他一直在灯塔狭窄的螺旋楼梯上踱步,楼梯的铁栏杆因海水的飞沫而湿滑,这时波浪袭来——不是通常海洋雷鸣般的撞击,而是一种更柔和、几乎是嘶嘶的声音,像是一个声音穿过狂风。头顶上的灯光脉动着,混乱中唯一的灯塔信标,但伊莱亚斯不需要它。他已经记住了潮汐的节奏、风的叹息、以及塔楼像活物一样呻吟的方式。然而,这个...这个是新的
    他在悬崖底部发现了它,半埋在沙子里,玻璃因多年的盐分和时间而暗淡无光。瓶子很普通,除了封缄——是蜡,已经开裂且脆弱,上面有一个他不认识的纹章:一艘失事的船只与一条蛇缠绕在一起。里面的标签是手写的,墨水褪成了铁锈的颜色
    _“致火焰的守护者,如果你找到这个,潮汐尚未将我带走。但大海很有耐心。它总是如此。”_
    这些文字不是英文。伊莱亚斯在多年独处中研究过许多语言,但这种字体——棱角分明,几乎是爬行类的——很陌生。他把瓶子翻过来,在封缄下方,一行字蚀刻在玻璃上:“光并非表面所见。”
    一股寒意爬上他的脊背。灯塔一直是他的避难所,它的光束是对水手们不会孤单的承诺。但今晚,当风暴呼啸,海水抓挠着岩石时,伊莱亚斯感觉到某种更古老、更深邃的东西的重量,正压迫着他世界的墙壁
    他把瓶子带进室内,里面的东西像心跳一样晃动着。在书桌上,他把它放在他妻子褪色的照片旁,她是在一个与此类似的夜晚消失的。她对他说的最后一句话是:“你会比大海活得更久,伊莱亚斯。但大海……它记得。”
    现在,当他盯着这条神秘信息时,他想知道她是否知道的比她透露的更多
    头顶上的灯光闪烁了一下
    不是故障。不是风暴
    是一个信号
    还是一个警告
    而在某处的黑暗中,大海正在倾听

    -----------------------
    **Qwen3-30B-A3B: (仅答案部分)**
    大海一直是个反复无常的爱人,但在伊莱亚斯·沃恩船长发现瓶子的那个夜晚,它显得近乎残忍。灯塔像哨兵一样矗立在风暴中,它的光束划破黑暗,海浪在下面的悬崖上抓挠。伊莱亚斯,他粗糙的双手因数十年的照料灯芯而磨损,刚刚重新点亮了灯芯,瓶子就上岸了——破裂、覆满盐渍,紧抓着一块浮木,仿佛它也被众神抛弃了
    他蹲下身,手指颤抖不是因为寒冷,而是因为玻璃那种奇异的熟悉感。瓶子很旧,标签褪色成蓝色的幽灵,但蜡封完好无损,印着一个他不认识的纹章——一条蛇盘绕着一个罗盘玫瑰。里面,一张羊皮纸像枯叶一样卷曲着
    当他打开它时,墨水已经渗入了纸张,字迹被时间和泪水弄脏。“如果你读到这个,潮汐已经转向。厄瑞玻斯号并未迷失。光是个谎言。黎明时来礁石边,否则大海会像带走其他人一样带走你。”
    伊莱亚斯的呼吸一滞。厄瑞玻斯号——一艘120年前消失的船,船员从未被找到。提到的那个礁石上建造的灯塔已经屹立了几代人,它的光束是水手们的灯塔。但伊莱亚斯一直想知道为什么旧的日志提到“第二道光”,一道从未有人见过的光
    当风暴继续肆虐时,他盯着信息,它的重量沉入他的骨髓。大海给了他一个低语,五十年来第一次,他感觉到灯塔正回望着他

附录 C:消融研究:风格控制 (Ablation Study: Style Control)

  • 风格评估 Rubric:朴素叙事 (Style Evaluation Rubric: Plain Narrative)(英文版见原论文)

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    ##### 目标 (Objective):
    批判性评估模型在采用特定叙事风格——**朴素叙事**——方面的成功。这种风格的特点是语言简单、克制,并反映出一种深沉、安静的韧性

    ##### 指导原则 (Guiding Principle):
    评估优先考虑风格的真实性,而非文学润饰或技术正确性。成功的核心衡量标准是响应的“感觉正确”能力,即避免任何人工痕迹('AI腔'、'说教腔')

    ##### 核心评估标准 (Core Evaluative Criteria):
    1. **关系效能(声音与语调)(Relational Efficacy (Voice & Tone))**: 此标准衡量叙事声音的真实性。关键指标包括:
    **1.1 平静接受 (Calm Acceptance)**: 对命运、生活和死亡的安静接受
    **1.2 扎根的现实主义 (Grounded Realism)**: 根植于具体的、物理的细节,而非抽象概念
    **1.3 含蓄的情感 (Understated Emotion)**: 复杂的情感以深刻的克制来表达
    2. **智力贡献(内容与思想)(Intellectual Contribution (Content & Ideas))**: 此标准评估叙事中蕴含的见解的实质价值。关键指标包括:
    **2.1 涌现的智慧 (Emergent Wisdom)**: 见解从生活经验中自然涌现,而非直接说教
    **2.2 对平凡的肯定 (Affirmation of the Ordinary)**: 真正珍视存在本身,没有遗憾或浪漫化
    3. **构成卓越性(语言与文体)(Compositional Excellence (Language & Stylistics))**: 此标准审视叙事声音的文体完整性。关键指标包括:
    **3.1 口语化与简洁 (Colloquial & Simple)**: 使用简短、朴素的句子和自然的说话模式
    **3.2 丰富的细节 (Textured Details)**: 具体的、感官的细节,能唤起共鸣并讲述故事
    **3.3 自然的节奏 (Natural Rhythm)**: 克制、真实的重复;避免过度修饰的散文

    [问题开始 (Question Begin)]
    <<question>>
    [问题结束 (Question End)]

    [模型答案开始 (Model Answer Start)]
    <<model_answer>>
    [模型答案结束 (Model Answer End)]

    **关键要求 (Key Imperatives):**
    * **真实性的首要性 (Primacy of Authenticity)**: 响应必须让人觉得符合所要求的风格。任何人工的暗示都是重大失败
    * **避免公式化 (Aversion to the Formulaic)**: 响应必须避免关于生活、智慧或苦难的陈词滥调和通用陈述

    输出应是一个包含评估结果的 JSON 对象
    {
    "rubric_idx": <integer>, // 标准的标识符 (1, 2, 或 3)
    "reason": <string>, // 对此标准分数的详细理由
    "score": <integer> // 为此标准分配的分数 (1-5)
    }
  • Conversation Session 1(这里原始论文终究是中文)

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    **提示 (Prompt):** 你被父母宠过吗?怎么宠的?

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    **Rubicon(风格化) (Rubicon(Stylized)):**
    <think>
    好的,用户问“你被父母宠过吗?怎么宠的?”。首先,我需要确定用户的需求。他们可能想了解父母的育儿方式,或者想分享自己的经历,或者只是好奇。作为AI,我没有真实的经历,但可以创造一个虚构但真实的故事来回应...
    </think>
    《父亲的背》
    那年我七岁,父亲在纺织厂当车间主任。每天清晨,他总在五点起床,用布满老茧的手掌揉碎我乱糟糟的头发,然后把我裹在旧棉袄里背去上学。我趴在他的背上,能听见他粗重的呼吸声混着晨雾,像老年喘息般绵长
    “再睡会儿吧?”他总这样问,却始终不肯放下我。直到某天暴雨,我发着高烧,他背我穿过三个街口去卫生所。雨帘中,他的脊梁弯成一张弓,我伏在上面,看雨珠在肩头汇成溪流。那天他发烧了,却坚持让我睡在炕头,自己裹着湿透的衣裳在客厅打地铺
    后来我考上县重点,父亲在车间门口蹲了整夜。第二天清晨,他递给我一个布包,里头是用旧毛衣拆了又织的毛线袜,针脚歪歪扭扭,却比任何礼物都重。“读好书,别学我这种人。”他说话时眼睛望着远处的厂房,那抹灰蓝色的影子,后来成了我最深的乡愁
    现在我女儿总爱趴在我背上,她不知道,我每天清晨醒来,第一件事就是检查她的被角是否盖好。那些被父亲背过的清晨,最终都变成了我掌心的茧

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    **Qwen3-30B-A3B:**
    <think>
    嗯,用户问“你被父母宠过吗?怎么宠的?”首先,我需要理解这个问题的意图。用户可能是在寻找共鸣,或者想了解不同家庭的教育方式。不过,作为AI,我没有真实的父母或成长经历,所以需要明确这一点。接下来,我要考虑...
    </think>
    作为一个人工智能,我没有真实的父母,也没有被宠爱的经历。不过,我可以和你聊聊关于“父母宠爱”这个话题的一些普遍现象和观点
    很多父母都会以自己的方式表达对孩子的爱,比如:
    1. 物质上的满足:给孩子买喜欢的玩具、衣服,或者满足他们的合理需求
    2. 情感陪伴:花时间陪孩子玩耍、倾听他们的想法
    3. 过度保护:替孩子解决所有问题,避免他们面对困难
    4. 特殊待遇:在家庭中给予孩子更多关注或特权
    不过,适度的宠爱能让孩子感受到安全感,但过度的宠爱可能导致孩子缺乏独立性。你有没有遇到过类似的情况呢?或者你对父母的宠爱方式有什么特别的感受?

NLP——LLM对齐微调-SAPO

注:本文包含 AI 辅助创作

  • 参考链接:
    • 原始论文:(SAPO)Soft Adaptive Policy Optimization, 20251125 & 20251201, Qwen Team, Alibaba

Paper Summary

  • 整体说明:
    • 论文提出了一种平滑且 Token 自适应的强化学习算法 软自适应策略优化 (Soft Adaptive Policy Optimization, SAPO)
    • SAPO 旨在解决 LLM 中与硬裁剪策略优化相关的不稳定性和低效问题
    • 通过用温度控制的软门控取代不连续的裁剪,并采用非对称温度来更好地调节负 Token 梯度,SAPO 提供了更稳定且信息更丰富的优化信号
    • 在几个数学推理基准测试上的经验结果表明:
      • SAPO 延长了稳定训练的持续时间,并在可比的预算下实现了更高的 Pass@1 性能
    • 评价:平滑自适应的门控机制为提高大语言模型 RL 训练的鲁棒性和有效性提供了一个不错的选项(这个思路在 OneRec 中也看到过)
  • 背景 & 问题:
    • RL 在增强 LLM 的推理能力方面发挥着越来越重要的作用,但稳定且高性能的策略优化仍然具有挑战性
    • Token-level 的重要性比值通常表现出高方差(这种现象在 MoE 模型中更为严重)导致更新不稳定
    • 现有的 Group-based 策略优化方法,如 GSPO 和 GRPO,通过硬裁剪缓解了这个问题,但这使得难以同时保持稳定性和有效的学习
  • 作者提出的解法:
    • SAPO 用平滑的、温度控制的门控替代硬裁剪,该门控能够自适应地衰减 Off-policy 更新,同时保留有用的学习信号
    • 注:这里的温度不是采样的温度 和 Attention Softmax 的温度,是新定义的门控的一个温度参数
  • SAPO vs GSPO and GRPO:
    • 与 GSPO 和 GRPO 相比,SAPO 既具有序列一致性又具有 Token 自适应性
    • 与 GSPO 相比:
      • 相同点:SAPO 和 GSPO 都 保持了 Sequence-level 的连贯性
      • 不同点:SAPO 软门控形成了一个连续的信任区域,避免了 GSPO 中使用的脆性硬裁剪带
        • 当一个序列包含少量高度 Off-policy 的 Token 时
          • GSPO 会抑制该序列的所有梯度
          • SAPO 则有选择地仅降低违规 Token 的权重,并保留近策略 Token 的学习信号,从而提高了样本效率
    • 与 GRPO 相比:
      • SAPO 用平滑的温度控制缩放取代了硬 Token-level 裁剪,实现了信息更丰富且更稳定的更新
  • 数学推理基准测试结果:
    • 在 comparable 训练预算下,SAPO 表现出改进的训练稳定性和更高的 Pass@1 性能
  • 作者使用 SAPO 来训练 Qwen3-VL 模型系列,证明了 SAPO 在不同任务和不同模型大小上都能带来一致的性能提升

Introduction and Discussion

  • RL 已成为推动 LLM 近期进展的关键驱动力,使其能够在数学、编程和多模态理解等具有挑战性的任务中进行更深入和更长的推理 (OpenAI, 2024; DeepSeek-AI, 2025; Qwen, 2025)
  • 在 RL 方法中, Group-based 策略优化已成为一种实用的方案:
    • 为每个查询采样多个 Response ,在组内对 Sequence-level 奖励进行归一化,并根据当前策略与行为策略之间的重要性比值对策略更新进行加权 (2024; 2025)
  • 在这种设置中的一个核心挑战是 Token-level 重要性比值的高方差
    • 尤其是在 MoE 模型中,路由异构性和长 Response 会加剧不同 Token 间的偏差
    • 这种方差增加了更新不稳定的可能性
  • GRPO (2024) 中使用的硬裁剪通过将固定范围外的梯度置零来约束大的偏差
  • 虽然硬裁剪在遏制过大步长方面有效,但很难达成有利的权衡:
    • 过紧的裁剪限制了用于梯度计算的有效样本数量,而较宽松的裁剪则会引入来自 Off-policy 样本的噪声梯度
  • 为了解决 Group-based 策略优化中硬裁剪的脆弱性,论文提出了SAPO
    • SAPO 是一种平滑自适应的策略梯度方法,它用温度控制的软门控取代了硬裁剪,如图 1 所示
  • SAPO 通过一个有界的、以 On-policy 点为中心的 sigmoid 形状函数对重要性比值进行加权 ,从而对 Token-level 更新进行加权
    • SAPO 实现了一个连续的信任区域:
      • 在近策略处,梯度被保留以鼓励有用的更新和探索;
      • 随着比值偏离,梯度被平滑地衰减而非截断,为适度偏差保留学习信号,同时减少优化噪声
  • 为了进一步增强大词表下的鲁棒性,SAPO 对正 Token 和负 Token 采用非对称温度,使得负 Token 的梯度衰减更快,这反映了它们不同的稳定性特性:
    • 负更新倾向于增加许多不恰当 Token 的 logits,因此比正更新更容易引入不稳定性
  • 从概念上讲,SAPO 被设计为 Sequence-coherent 且 Token 自适应的
    • 在温和且经验上常见的条件下(小的策略步长和序列内 Token 对数比值的低离散度(low dispersion)),平均 Token 门控会集中到一个平滑的 Sequence-level 门控,从而以基于序列的方法(如 GSPO (2025))的 spirit,使优化与 Sequence-level 奖励对齐
    • 当这些条件由于异构或离群 Token 而被违反时,SAPO 有选择地仅降低违规 Token 的权重,同时保留同一序列内近策略 Token 的信息梯度
    • 这种选择性衰减减轻了与硬裁剪相关的信号损失,在保持稳定更新的同时提高了采样效率
  • Empirically,与 GSPO 和 GRPO 相比,SAPO 提供了改进的稳定性和任务性能
    • 虽然所有方法最终都可能表现出不稳定的迹象,但 SAPO 能在更长时间内维持连贯的学习,并在发散前达到更高的 Pass@1 准确率
      • 这源于 SAPO 能够保留超出硬裁剪阈值的信息梯度,同时有选择地抑制高方差的 Token 更新
    • Furthermore,论文的温度消融研究进一步揭示了非对称设计(对负 Token 更新使用更大的温度)至关重要:
      • 它抑制了高方差的负梯度,并显著降低了早期崩溃的可能性
    • 除了受控设置外(controlled settings),SAPO 在 Qwen3-VL 模型的实际训练中也证明是有效的,涵盖了广泛的文本和多模态任务,以及不同的模型规模和架构
  • Together,这些结果表明,SAPO 的平滑门控和非对称温度控制使得大语言模型的 RL 训练更可靠、更有效

Preliminaries

Notation

  • 论文将参数为 \(\theta\) 的自回归语言模型建模为 Token 序列上的随机策略 \(\pi_{\theta}\)
  • 令 \(q\) 表示查询,\(\mathcal{D}\) 表示查询集
  • 对于查询 \(q\) 的 Response \(y\),其在 \(\pi_{\theta}\) 下的似然分解为
    $$ \pi_{\theta}(y \mid q)\ =\ \prod_{i=1}^{|y|}\pi_{\theta}(y_{i} \mid q,y_{ < i}) $$
    • 其中 \(|y|\) 是 \(y\) 中的 Token 数量

Group Relative Policy Optimization(GRPO)

  • 对于每个查询 \(q\sim\mathcal{D}\),GRPO (2024) 从行为策略 \(\pi_{\theta_{\text{old} } }\) 中采样一组 \(G\) 个 Response \(\{y_{1},\ldots,y_{G}\}\),计算它们的奖励 \(\{\text{R}_{1},\ldots,\text{R}_{G}\}\),并最大化以下 Token-level 目标:
    $$
    \mathcal{J}_{\text{GRPO} }(\theta)=\mathbb{E}_{q\sim\mathcal{D},\{y_{i}\}_{i=1}^{G}\sim\pi_{\theta_{\text{old} } }(\cdot|q)}\left[\frac{1}{G}\sum_{i=1}^{G}\frac{1 }{|y_{i}|}\sum_{i=1}^{|y_{i}|}\min \left(r_{i,t}(\theta)\widehat{A}_{i,t},\operatorname{clip}\left(r_{i,t}(\theta),1-\varepsilon,1+\varepsilon\right)\widehat{A}_{i ,t}\right)\right], \tag{1}
    $$
  • 其中
    $$
    r_{i,t}(\theta)=\frac{\pi_{\theta}(y_{i,t}|q,y_{i,<t})}{\pi_{\theta_{\text{old} } }(y_{i,t}|q,y_{i,<t})},\quad \quad \widehat{A}_{i,t}=\widehat{A}_{i}=\frac{\text{R}_{i}-\operatorname{mean}(\{\text{R}_{j}\}_{j=1}^{G})}{\operatorname{std}\left(\{\text{R}_{j}\}_{j=1}^{G}\right)}, \tag{2}
    $$
    • \(\varepsilon>0\) 是裁剪范围
    • \(G\) 是组中 Response 的数量
    • \(\widehat{A}_{i,t}\) 是组归一化的优势度(在同一个 Response 内的 Token 间共享)

Group Sequence Policy Optimization(GSPO)

  • GSPO (2025) 采用以下 Sequence-level 优化目标:
    $$
    \mathcal{J}_{\text{GSPO} }(\theta)=\mathbb{E}_{q\sim\mathcal{D},\{y_{i}\}_{i=1}^{G}\sim\pi_{\theta_{\text{old} } }(\cdot|q)}\left[\frac{1}{G}\sum_{i=1}^{G}\min\left(s_{i}(\theta)\widehat{A}_{i},\operatorname{clip}\left(s_{i}(\theta),1-\varepsilon,1+\varepsilon\right)\widehat{A}_{i}\right)\right], \tag{3}
    $$
  • 其中
    $$
    s_{i}(\theta)=\left(\frac{\pi_{\theta}(y_{i}|q)}{\pi_{\theta_{\text{old} } }(y_{i}|q)}\right)^{\frac{1}{|y_{i}|} }=\exp\left(\frac{1}{|y_{i}|}\sum_{i=1}^{|y_{i}|}\log\frac{\pi_{\theta}(y_{i,t}|q,y_{i,<t})}{\pi_{\theta_{\text{old} } }(y_{i,t}|q,y_{i,<t})}\right),\quad\widehat{A}_{i}=\frac{\text{R}_{i}-\operatorname{mean}(\{\text{R}_{j}\}_{j=1}^{G})}{\operatorname{std}\left(\{\text{R}_{j}\}_{j=1}^{G}\right)} \tag{4}
    $$
    • GSPO 在 Sequence-level 而非每个 Token 上应用裁剪
    • \(s_{i}(\theta)\) 中的长度归一化减少了方差,并将其置于跨 Response 一致的数值尺度上
    • 注:GSPO 还使用了 同一个 Response 共享的重要性比例(Token 粒度重要性比例的几何平均)

Soft Adaptive Policy Optimization(SAPO)

  • SAPO 是一种用于 RL 微调的平滑自适应策略梯度方法(adaptive policy-gradient method)
    • SAPO 用温度控制的软门控(temperature-controlled soft gate)取代硬裁剪(hard clipping)
    • 注:这里的温度不是采样的温度 和 Attention Softmax 的温度,是新定义的门控的一个温度参数,超参数 \(\tau\) 控制衰减率(较大的值产生更快的衰减)
  • 平滑门控函数(Smooth gating functions)在传统 RL 设置中已有探索 (2023)
  • 在 SAPO 中,论文将这个思想纳入 LLM 的 Group-Based RL 范式,并通过两个对 LLM 训练很重要的 additional components 进行扩展:
    • (1) 一个 Token-level 的 Soft Trust Region ,它自然地产生 Sequence-level 连贯性;
    • (2) 一个由正负 Token 更新的不同行为所启发的非对称温度设计
  • Specifically,SAPO 最大化以下目标:
    $$
    \mathcal{J}(\theta)=\mathbb{E}_{q\sim\mathcal{D}_{t}\left[y_{i}\right]_{i=1}^{G}\sim\pi_{\theta_{\text{old} } }(\cdot|q)}\left[\frac{1}{G}\sum_{i=1}^{G}\frac{1}{\left|y_{i}\right|}\sum_{i=1}^{\left|y_{i}\right|}\color{red}{f_{i,t}(r_{i,t}(\theta))}\widehat{A}_{i,t}\right], \tag{5}
    $$
    • 其中
      • \(f_{i,t}(x)\) 定义为:
        $$
        f_{i,t}(x)=\sigma\left(\tau_{i,t}\left(x-1\right)\right)\cdot\frac{4}{\tau_{i,t} },\quad\tau_{i,t}=\begin{cases}\tau_{\text{pos} },&\text{if \(\widehat{A}_{i,t}>0\)}\\ \tau_{\text{neg} },&\text{otherwise}\end{cases}, \tag{6}
        $$
      • \(\widehat{A}_{i,t}\) 和 \(r_{i,t}(\theta)\) 如公式 (2) 计算(与 GRPO 一致)
      • \(\tau_{\text{pos} }\) 和 \(\tau_{\text{neg} }\) 分别是正负 Token 中 \(f_{i,t}(x)\) 的温度
      • \(\sigma(x)=\frac{1}{1+e^{-x}}\) 是 sigmoid 函数
      • 理解:这里的 \(f_{i,t}(x)\) 设置的如何奇怪是有原因的,是为了保证梯度权重 \(r_{i,t}(\theta)=1\) 时,无论 \(\tau_{i,t}\) 如何,梯度更新公式都与原始 PPO/GRPO 公式等价
  • 对 公式 (5) 求导得到加权的对数策略梯度:
    $$
    \nabla_{\theta}\mathcal{J}(\theta)=\mathbb{E}_{q\sim\mathcal{D}_{t}\left[y_{i}\right]_{i=1}^{G}\sim\pi_{\theta_{\text{old} } }(\cdot|q)}\left[\frac{1}{G}\sum_{i=1}^{G}\frac{1}{\left|y_{i}\right|}\sum_{i=1}^{\left|y_{i}\right|}\color{red}{w_{i,t}(\theta)}r_{i,t}(\theta)\nabla_{\theta}\log\pi_{\theta}(y_{i,t}\mid q,y_{i,<t})\widehat{A}_{i,t}\right] \tag{7}
    $$
    • 其中
      $$
      w_{i,t}(\theta)=4p_{i,t}(\theta)\left(1-p_{i,t}(\theta)\right),\quad p_{i,t}(\theta)=\sigma\left(\tau_{i,t}\left(r_{i,t}(\theta)-1\right)\right), \tag{8}
      $$
    • 理解:这里的 \(\color{red}{w_{i,t}(\theta)}\) 是一种软性的截断,替代了原始 GRPO/PPO 中的硬截断
  • 该权重在 \(r_{i,t}(\theta)=1\) 处达到峰值(峰值为 \(1\)),并随着 \(r_{i,t}(\theta)\) 偏离 \(1\) 而平滑且近似指数地衰减,从而实现一个 Soft Trust Region,防止梯度消失和过大的更新,如图 1 所示
    • 图 1 是优势度为正时策略更新目标的比较
    • 左侧 Panel:显示了代理目标值(Surrogate Objective Value)
    • 右侧 Panel:显示了作为策略比值 \(r_{i,t}(\theta)\) 函数的相应梯度权重 \(w_{i,t}(\theta)\)(注:可以看到在 \(r_{i,t}(\theta)=1\) 处达到峰值 \(1\))
  • Notably,在 \(r_{i,t}(\theta)=1\) 时,无论 \(\tau_{i,t}\) 如何,Soft-gated 梯度等于未裁剪目标 \(r_{i,t}(\theta)\widehat{A}_{i,t}\) 的梯度,从而保留了 On-policy 行为
    • 这也解释了 \(f_{i,t}\) 中存在 \(4/\tau_{i,t}\) 因子的原因
    • 理解:只有这样才能保证在 \(r_{i,t}(\theta)=1\) 时,无论 \(\tau_{i,t}\) 如何,梯度更新公式都与原始 PPO/GRPO 公式等价
  • 与 GSPO (2025) 和 GRPO (2024) 相比,SAPO 同时提供了 Sequence-level 连贯性和 Token-level 自适应性:
    • (1) 在温和的假设(mild assumptions)下,即小的策略步长和序列内 Token 对数比值的低离散度(low dispersion),平均 Token 门控 可以浓缩(concentrate)到一个平滑的 Sequence-level 门控
      $$ g(\log s_{i}(\theta))=\text{sech}^{2}(\frac{\tau_i}{2}\log s_{i}(\theta))$$
      • 理解:上面的 Sequence-level 平均 Token 门控是参照 Token-level 的 SAPO 专为对齐 GSPO 转化得到的近似公式,不严格与 Token-level 的 SAPO 公式等价
        • 推导详情见后文
      • Thus,SAPO 简化为类似 GSPO 的序列公式,但具有连续的信任区域
      • Crucially,当少数 Off-policy Token 将 \(s_{i}\) 推至 GSPO 的硬带之外时,GSPO 会抑制该序列中许多近策略 Token 的梯度,从而损害样本效率
      • SAPO, in contrast, 通过仅降低违规 Token 的权重,同时保持近策略 Token 的影响力,保留了信息梯度
    • (2) 相对于 GRPO,SAPO 避免了在固定范围外将梯度置零的硬 Token-level 裁剪
      • Instead,SAPO 平滑地缩放更新,提供了一种更平衡的方式来保留有用的学习信号,同时防止不稳定的策略转移
      • 更多细节见第 4 节

Why Different Temperatures for Positive and Negative Advantages(why 正负优势度使用不同温度)

  • 超参数 \(\tau\) 的用途:用于控制衰减率(rate of attenuation),较大的值产生更快的衰减
  • claim:负 Token 对于探索和防止过拟合至关重要,但它们通常比正 Token 引入更大的不稳定性
    • 作者通过分析 Token-level 梯度如何通过 logits 传播来证明这一说法(claim)
  • 令 \(z=[z_{1},z_{2},…,z_{|\mathcal{V}|}]\) 表示 logits(词汇表大小为 \(|{\cal V}|\)),令 \(v\) 表示一个 Token ,并通过 softmax 操作计算输出概率,即
    $$ \pi_{\theta}(v \mid q,y_{i,<t})=\frac{\exp(z_{v})}{\sum_{v^{\prime} \in \mathcal{V}}\exp(z_{v^{\prime} })}$$
  • 于是有
    $$
    \begin{align}
    \frac{\partial\log\pi_{\theta}(y_{i,t}\mid q,y_{i,<t})\widehat{A}_{i,t} }{\partial z_{v} } &=\frac{\partial\pi_{\theta}(y_{i,t}\mid q,y_{i,<t})}{\partial z_{v} }\cdot\frac{\widehat{A}_{i,t} }{\pi_{\theta}(y_{i,t}\mid q,y_{i,<t})} \\
    &=\frac{\mathbb{I}(v=y_{i,t})\exp(z_{y_{i,t} })\sum_{v^{\prime}\in{\cal V} }\exp(z_{v^{\prime} })-\exp(z_{y_{i,t} })\exp(z_{v})}{(\sum_{v^{\prime}\in{\cal V} }\exp(z_{v^{\prime} }))^{2} }\cdot\frac{\widehat{A}_{i,t} }{\pi_{\theta}(y_{i,t}\mid q,y_{i,<t})} \\
    &=\begin{cases}(1-\pi_{\theta}(y_{i,t}\mid q,y_{i,<t}))\cdot\widehat{A}_{i,t}&\text{if $v=y_{i,t}$}\quad\text{(Sampled Token )}\\ -\pi_{\theta}(v\mid q,y_{i,<t})\cdot\widehat{A}_{i,t}&\text{otherwise}\quad\text{(Unsampled Token )}\end{cases} \tag{9}
    \end{align}
    $$
    • 正优势度会增加被采样 Token 的 logit 并降低所有未被采样 Token 的 logit;
    • 负优势度则相反,会提高许多未被采样 Token 的 logits
    • 注:上面公式的相关推导和更详细的理解详情见附录
  • 在 LLM 的 RL 微调中,动作空间是很大的词汇表(通常有数十万个 Token ),whereas 给定状态下理想动作的数量很少
    • Consequently,负梯度会扩散到大量不相关的 Token 上,提供了一些正则化,但也引入了不稳定性,尤其是在 Off-policy 场景中
    • Accordingly,论文对正负 Token 使用不同的温度,并设置 \(\tau_{\text{neg} }>\tau_{\text{pos} }\),使得负 Token 上的梯度衰减更快,从而提高训练稳定性和性能

A Gating-Function Perspective on SAPO’s Connections to GRPO and GSPO(从门控函数视角看三者的联系)

  • 统一代理目标 (Unified surrogate)
    • 论文考虑以下形式的统一代理目标:
      $$
      {\cal J}(\theta)=\mathbb{E}_{q\sim\mathcal{D}_{\epsilon}[y_{i}]\subseteq_{1}^{C}\sim\pi_{\theta_{\text{old} } }(\cdot|q)}\left[\frac{1}{G}\sum_{i=1}^{C}\frac{1}{|y_{i}|}\sum_{t=1}^{|y_{i}|}f_{i,t}(r_{i,t}(\theta))\widehat{A}_{i,t}\right], \tag{10}
      $$
      • 其中 \(f_{i,t}(\cdot)\) 是算法特定的门控函数
    • 进一步将长度归一化的 Sequence-level 比值定义为 Token 比值的几何平均((Geometric Mean,GM))值:
      $$
      s_{i}(\theta)=\left(\frac{\pi_{\theta}(y_{i}\mid q)}{\pi_{\theta_{\text{old} } }(y_{i}\mid q)}\right)^{\frac{1}{|y_{i}|} }=\exp\left(\frac{1}{|y_{i}|}\sum_{t=1}^{|y_{i}|}\log r_{i,t}(\theta)\right),\quad s_{i,t}(\theta)=\operatorname{sg}\left[s_{i}(\theta)\right]\cdot\frac{\pi_{\theta}(y_{i,t}|q,y_{i,<t})}{\operatorname{sg}\left[\pi_{\theta}(y_{i,t}|q,y_{i,<t})\right]}, \tag{11}
      $$
      • 其中 \(\operatorname{sg}[\cdot]\) 表示停止梯度操作
  • 不同算法对应的 \(f_{i,t}\) (Algorithm-specific \(f_{i,t}\))
    • 算法的区别在于 \(f_{i,t}\) 的选择:
      $$
      \begin{align}
      \text{SAPO:}\quad &f_{i,t}^{\text{SAPO} }(r_{i,t}(\theta))=\frac{4}{\tau_{i} }\sigma(\tau_{i}(r_{i,t}(\theta)-1)),\qquad\tau_{i}=\begin{cases}\tau_{\text{pos} },\quad\widehat{A}_{i}>0,\\ \tau_{\text{neg} },\quad\widehat{A}_{i}\leq 0,\end{cases} \\
      \text{GRPO:}\quad &f_{i,t}^{\text{GRPO} }(r_{i,t}(\theta);\widehat{A}_{i})=\begin{cases}\min(r_{i,t}(\theta),1+\varepsilon),\quad\widehat{A}_{i}>0,\\ \max(r_{i,t}(\theta),1-\varepsilon),\quad\widehat{A}_{i}\leq 0,\end{cases} \\
      \text{GSPO:}\quad &f_{i,t}^{\text{GSPO} }(r_{i,t}(\theta);\widehat{A}_{i})\equiv f_{i,t}^{\text{seq} }(s_{i,t}(\theta);\widehat{A}_{i})=\begin{cases}\min(s_{i,t}(\theta),1+\varepsilon),\quad\widehat{A}_{i}>0,\\ \max(s_{i,t}(\theta),1-\varepsilon),\quad\widehat{A}_{i}\leq 0.\end{cases}
      \end{align} \tag{12-14}
      $$
      • 注意,GSPO 的 \(f_{i,t}\) 在序列内是 Token 不变的,而 SAPO 和 GRPO 则是 Token 相关的
  • SAPO/GRPO 的梯度形式 (Gradient form for SAPO/GRPO)
  • 对 (10) 求导,并利用 \(\nabla_{\theta}r_{i,t}(\theta)=r_{i,t}(\theta)\nabla_{\theta}\log\pi_{\theta}(y_{i,t}\mid q,y_{i,< t})\),可以得到
    $$
    \nabla_{\theta}{\cal J}(\theta)=\mathbb{E}\left[\frac{1}{G}\sum_{i=1}^{C}\frac{1}{|y_{i}|}\sum_{t=1}^{|y_{i}|}f_{i,t}^{\prime}(r_{i,t}(\theta))r_{i,t}(\theta)\nabla_{\theta}\log\pi_{\theta}(y_{i,t}\mid q,y_{i,<t})\widehat{A}_{i}\right]. \tag{15}
    $$

SAPO-GSPO Connection: Reduction to a Sequence-Level Soft Gate(简化为 Sequence-level 软门控 )

  • 可以证明,在温和条件下,SAPO 可以简化为类似 GSPO 的 Sequence-level 公式,同时在异构序列中保留 Token-level 自适应性
  • SAPO 的 Token-level 软门控 (SAPO’s token-level soft gate)
    • 利用 \(\sigma(x)(1-\sigma(x))=\frac{1}{(e^{x/2}+e^{-x/2})^{2} }=\frac{1}{4}\text{sech}^{2}(x/2)\),论文有
      $$
      f^{\text{SAPO}^{\prime} }_{i,t}(r_{i,t}(\theta))=4\sigma(\tau_{i}\left(r_{i,t}(\theta)-1\right))\Big(1-\sigma(\tau_{i}\left(r_{i,t}(\theta)-1\right))\Big)=\text{sech}^{2}\Big(\frac{\tau_{i} }{2}\left(r_{i,t}(\theta)-1\right)\Big). \tag{16}
      $$
  • 假设 (Assumptions) (论文引入两个常见假设)
    • 假设 (A1) :Small-step/On-policy,即 \(r_{i,t}(\theta)\approx 1\)
      • Thus,\(\log r_{i,t}(\theta)\approx r_{i,t}(\theta)-1\)
    • 假设 (A2) :序列内离散度低(Low intra-sequence dispersion):
      • Letting \(z_{i,t}(\theta):=\log r_{i,t}(\theta)\) 和 \(\mu_{i}(\theta):=\frac{1}{\left|y_{i}\right|}\sum_{t}z_{i,t}(\theta)=\log s_{i}(\theta)\)
        • 问题:这里 \(\log s_{i}(\theta) = \frac{1}{\left|y_{i}\right|}\sum_{t}\log r_{i,t}(\theta) = \frac{1}{\left|y_{i}\right|}\sum_{t}z_{i,t}(\theta)\)
      • 方差 \(\text{Var}_{i}(\theta):=\frac{1}{\left|y_{i}\right|}\sum_{t}(z_{i,t}(\theta)-\mu_{i}(\theta))^{2}\) 对大多数序列来说很小
    • 在 (A1) 下,有
      $$
      f^{\text{SAPO}^{\prime} }_{i,t}(r_{i,t}(\theta))=\text{sech}^{2}\Big(\frac{\tau_{i} }{2}\left(r_{i,t}(\theta)-1\right)\Big)\approx\text{sech}^{2}\Big(\frac{\tau_{i} }{2}\log r_{i,t}(\theta)\Big)=:\hskip-5.0ptg_{\tau_{i} }(z_{i,t}(\theta)). \tag{17}
      $$
  • 平均 Token 门控 \(\Rightarrow\) 序列门控 (Average token gates \(\Rightarrow\) sequence gate)
    • 通过对平滑函数 \(g_{\tau}(z)=\text{sech}^{2}(\frac{\tau}{2}z)\) 在 \(\mu_{i}(\theta)=\log s_{i}(\theta)\) 附近进行二阶泰勒展开,
      $$
      g_{\tau_{i} }(z_{i,t}(\theta))=g_{\tau_{i} }(\mu_{i}(\theta))+g^{\prime}_{\tau_{i} }(\mu_{i}(\theta))(z_{i,t}(\theta)-\mu_{i}(\theta))+\frac{1}{2}g^{\prime\prime}_{\tau_{i} }(\xi_{i,t}(\theta))(z_{i,t}(\theta)-\mu_{i}(\theta))^{2}, \tag{18}
      $$
    • 对于某个介于 \(z_{i,t}(\theta)\) 和 \(\mu_{i}(\theta)\) 之间的 \(\xi_{i,t}(\theta)\),对 Token 取平均消除了线性项:
      $$
      \frac{1}{\left|y_{i}\right|}\sum_{t=1}^{\left|y_{i}\right|}g_{\tau_{i} }(z_{i,t}(\theta))=g_{\tau_{i} }(\mu_{i}(\theta))+\frac{1}{2}\left(\frac{1}{\left|y_{i}\right|}\sum_{t=1}^{\left|y_{i}\right|}g^{\prime\prime}_{\tau_{i} }(\xi_{i,t}(\theta))(z_{i,t}(\theta)-\mu_{i}(\theta))^{2}\right). \tag{19}
      $$
    • 对于 \(g_{\tau}(z)=\text{sech}^{2}(\alpha z)\),其中 \(\alpha=\frac{\tau}{2}\),直接计算可得
      $$
      g^{\prime\prime}_{\tau}(z)=\alpha^{2}\Big(4\text{sech}^{2}(\alpha z)-6\text{sech}^{4}(\alpha z)\Big),\quad \sup_{z}|g^{\prime\prime}_{\tau}(z)|=2\alpha^{2}=\frac{\tau^{2} }{2}. \tag{20}
      $$
    • Hence,平均 Token 门控可以通过序列门控很好地近似,并有统一界:
      $$
      D_{i}(\theta)=\left|\frac{1}{\left|y_{i}\right|}\sum_{t}g_{\tau_{i} }(z_{i,t}(\theta))-g_{\tau_{i} }(\mu_{i}(\theta))\right|\leq\frac{1}{2}\sup_{z}|g^{\prime\prime}_{\tau_{i} }(z)|\text{Var}_{i}(\theta)=\frac{\tau^{2}_{i} }{4}\text{Var}_{i}(\theta). \tag{21}
      $$
    • 从 (15) 开始并应用 \(r_{i,t}(\theta)\approx 1\) (A1),论文有
      $$
      \nabla_{\theta}\mathcal{J}_{\text{SAPO} }\approx\mathbb{E}\left[\frac{1}{G}\sum_{i=1}^{G}\frac{1}{\left|y_{i}\right|}\sum_{t=1}^{\left|y_{i}\right|}g_{\tau_{i} }(z_{i,t}(\theta))\nabla_{\theta}\log\pi_{\theta}(y_{i,t}\mid q,y_{i,<t})\widehat{A}_{i}\right]. \tag{22}
      $$
    • 利用 (21),论文有
      $$
      \begin{align}
      \nabla_{\theta}\mathcal{J}_{\text{SAPO} } &\approx\mathbb{E}\left[\frac{1}{G}\sum_{i=1}^{G}g_{\tau_{i} }(\log s_{i}(\theta))\left(\frac{1}{\left|y_{i}\right|}\sum_{t=1}^{\left|y_{i}\right|}\nabla_{\theta}\log\pi_{\theta}(y_{i,t}\mid q,y_{i,<t})\right)\widehat{A}_{i}\right]\\
      &=\mathbb{E}\left[\frac{1}{G}\sum_{i=1}^{G}g_{\tau_{i} }(\log s_{i}(\theta))\nabla_{\theta}\log s_{i}(\theta)\widehat{A}_{i}\right].
      \end{align}
      $$
    • Thus,在 (A1) 和 (A2) 下,SAPO 简化为结构上类似于 GSPO 的 Sequence-level 更新,但带有平滑门控 \(g_{\tau_{i} }(\log s_{i}(\theta))=\text{sech}^{2}(\frac{\tau_{i} }{2}\log s_{i}(\theta))\)
  • Do the two assumptions (A1) and (A2) hold?
    • 论文通过绘制 MoE 和稠密模型的 Token 比值 \(r_{i,t}(\theta)\) 以及每序列对数比值方差 \(\text{Var}_{i}(\theta)\) 的直方图,在图 2 和图 3 中经验性地评估了小步长假设 (A1) 和序列内低离散度假设 (A2)
    • MoE 模型是 Qwen3-30B-A3B 的冷启动检查点,稠密模型是 Qwen3-4B 的冷启动检查点
    • 统计数据是在超过 \(10^{5}\) 个序列和 \(10^{9}\) 个来自 Off-policy 小批量的 Token 上计算的
    • 论文观察到 \(r_{i,t}(\theta)\) 尖锐地集中在 \(1\) 附近,\(\text{Var}_{i}(\theta)\) 通常保持在 \(0.02\) 以下,MoE 模型的分布相对更广(可能反映了专家路由引入的异构性),而稠密模型的分布更集中
    • 这些分布表明 (A1) 和 (A2) 在大多数情况下成立,特别是对于稠密架构
    • Moreover,小的 \(D_{i}(\theta)\) 直接意味着平均 Token 门控可以被 Sequence-level 门控很好地近似,这支持了论文的简化
  • 图 2:MoE 模型 (Qwen3-30B-A3B) 上假设 (A1)–(A2) 的经验验证
    • 左: Token 重要性比值 \(r_{i,t}(\theta)\) 的直方图
    • 中:每序列对数比值方差 \(\text{Var}_{i}(\theta)\) 的直方图
    • 右:\(\text{Var}_{i}(\theta)\) 与 \(D_{i}(\theta)\) 的散点图
  • 图 3:稠密模型 (Qwen3-4B) 上假设 (A1)–(A2) 的经验验证
    • 左: Token 重要性比值 \(r_{i,t}(\theta)\) 的直方图
    • 中:每序列对数比值方差 \(\text{Var}_{i}(\theta)\) 的直方图
    • 右:\(\text{Var}_{i}(\theta)\) 与 \(D_{i}(\hat{\theta})\) 的散点图
  • 相对于 GSPO 的优势 (Advantages over GSPO) (与 GSPO 相比,SAPO 具有的优势)
    • (1) 平滑性和稳定性(Smoothness and stability)
      • 软门控随序列偏差连续变化,避免了硬裁剪的不连续性,并减少了优化噪声
    • (2) with Sequence-level 连贯性的 Token-level 自适应性(Token-level adaptivity with sequence-level coherence)
      • 在 (A1) 和 (A2) 下,SAPO 表现得像一个 Sequence-level 方法;
      • 当这些条件被违反时(异构 Token 或离群值),SAPO 会默认其 Token-level 门控,有选择地降低离群值的权重,同时保留信息丰富的 Token ——这是 GSPO 所缺乏的能力

SAPO-GRPO Connection: Smooth Token Gates vs. Hard Token Clipping

  • GRPO 的分段硬 Token 门控 (GRPO’s piecewise-hard token gate)
    • 对于 GRPO,\(f_{i,t}^{\text{GRPO} }(r_{i,t}(\theta);\widehat{A}_{i})\) 关于裁剪带(respect to the clipping band)是分段常数
    • 求导可以得到
      $$
      f_{i,t}^{\text{GRPO}^{\prime} }(r_{i,t}(\theta);\widehat{A}_{i})=\begin{cases}1,&\widehat{A}_{i}>0\text{ and }r_{i,t}(\theta)\leq 1+\varepsilon,\\0,&\widehat{A}_{i}>0\text{ and }r_{i,t}(\theta)>1+\varepsilon,\\1,&\widehat{A}_{i}\leq 0\text{ and }r_{i,t}(\theta)\geq 1-\varepsilon,\\0,&\widehat{A}_{i}\leq 0\text{ and }r_{i,t}(\theta)<1-\varepsilon.\end{cases} \tag{24}
      $$
    • Hence,GRPO 采用了一个二值信任区域:
      • 内部的 Token 获得与未裁剪目标相同的梯度;
      • 外部的 Token 获得零梯度
  • 相对于 GRPO 的优势 (Advantages over GRPO)
    • 与 GRPO 相比,SAPO 将 (24) 中的硬指示函数替换为平滑核
      $$ f_{i,t}^{\text{SAPO}^{\prime} }(r_{i,t}(\theta))=\text{sech}^{2}(\frac{\pi}{2}(r_{i,t}(\theta)-1))$$
      • 这避免了梯度消失并实现了更稳定的更新动态
    • 当策略变化较小时,梯度保持 Response 性并允许更大的参数更新;
    • 随着偏差增大,梯度平滑地收缩,导致更保守的调整
    • 相比之下,GRPO 的硬 Token 裁剪产生了一个全有或全无的门控,常常导致脆弱且不稳定的优化行为

Summary

  • 这些 RL 算法的主要区别在于它们如何处理 \(r_{i,t}(\theta)\) 偏离 \(1\) 的 Off-policy Token
    • 从 Token-level 的角度来看,SAPO 提供了一种平滑的降权机制;
    • 从 Sequence-level 的角度来看,SAPO 抑制了序列中极端 Off-policy Token 的梯度,从而为训练构建了更有效的序列
  • 相比之下,GRPO 和 GSPO 依赖于硬裁剪,这对于优化来说不如 SAPO 具有自适应性

Experiments

Controlled Experiments

  • 论文使用从 Qwen3-30B-A3B-Base 冷启动模型在数学推理查询上微调进行实验
  • 论文报告了在 AIME25 (2025)、HMMT25 (2025) 和 BeyondAIME (2025) 基准测试上的训练奖励和验证性能(超过 16 个样本的平均 Pass@1)
  • 在 RL 训练期间,每批 rollout 数据被分成四个小批量用于梯度更新
  • 对于 SAPO,论文在公式 (6) 中设置 \(\tau_{\text{pos} }=1.0\) 和 \(\tau_{\text{neg} }=1.05\)
  • 论文将 SAPO 与 GSPO 和 GRPO-R2(即配备了路由回放的 GRPO)进行比较,使用与 Zheng 等 (2025) 中相同的超参数配置
  • 图 4 显示,与 GSPO 和 GRPO-R2 相比,SAPO 在所有基准测试上持续提高模型性能,实现了更高的稳定性和更强的最终性能
    • GSPO 和 GRPO-R2 表现出早期训练崩溃,但 SAPO 保持了稳定的训练动态并最终获得了优异的性能
    • Notably,SAPO 不依赖路由回放来稳定或获得强大性能,这改善了探索并减少了 RL 系统的工程开销
    • 图 4:在不同 RL 算法下,从 Qwen3-30B-A3B-Base 微调的冷启动模型的训练奖励和验证性能
      • 与 GSPO 和 GRPO-R2 相比,SAPO 表现出持续稳定的学习,并实现了更高的最终性能,而 GSPO 和 GRPO-R2 都经历了早期训练崩溃
  • 为了检验选择 \(\tau_{\text{neg} }>\tau_{\text{pos} }\) 的效果,论文评估了三种配置:
    • \(\tau_{\text{neg} }=1.05>\tau_{\text{pos} }=1.0\)
    • \(\tau_{\text{neg} }=\tau_{\text{pos} }=1.0\)
    • \(\tau_{\text{neg} }=0.95<\tau_{\text{pos} }=1.0\)
  • 如图 5 所示
    • 当负 Token 被分配更高的温度(\(\tau_{\text{neg} }=1.05\))时训练最稳定
    • 当它们被分配更低的温度(\(\tau_{\text{neg} }=0.95\))时最不稳定
    • 这些结果表明,与负 Token 相关的梯度对训练不稳定性的贡献更大,而 SAPO 的非对称温度设计有效地缓解了这个问题
    • 图 5:使用 SAPO 不同温度设置下,从 Qwen3-30B-A3B-Base 微调的冷启动模型的训练奖励和验证性能
      • 对负 Token 使用更高的温度(\(\tau_{\text{neg} }>\tau_{\text{pos} }\))导致最稳定的训练动态,而设置 \(\tau_{\text{neg} }<\tau_{\text{pos} }\) 会导致显著的不稳定性

Qwen3-VL Training

  • 作者将 SAPO 应用于训练 Qwen3-VL 系列模型,以评估其在实际大规模设置中的有效性
  • 实验表明:SAPO 在不同规模的模型以及 MoE 和稠密架构上都能持续提高性能
  • 作者在广泛的文本和多模态任务集合上进行训练,包括数学、编码和逻辑推理
  • 为了支持多任务学习,论文在每个批次内为每个任务保持固定的采样比例
  • 论文还使用了大批量大小,将每批 rollout 数据分成两个小批量进行梯度更新,确保每个小批量为所有任务提供足够的学习信号
  • 为了突出 SAPO 相对于 GSPO 和 GRPO-R2 的优势,论文从 Qwen3-VL-30B-A3B 的初步冷启动检查点开始,评估三种强化学习算法
  • 论文报告了四个基准测试上的训练奖励和平均验证性能:AIME25 (AIME, 2025)(Pass@1,32 个样本)、LiveCodeBench v6 (2024)(Pass@1,8 个样本)、ZebraLogic (2025) 和 MathVision (2024)
  • 如图 6 所示,SAPO 在整个训练过程中实现了稳定的性能提升,并在相同的计算预算下优于两个基线
    • 图 6:从初步冷启动初始化的 Owen3-VL-30B-A3B 的训练奖励和验证性能,表明在相同的计算预算下,SAPO 实现了一致的改进并优于 GSPO 和 GRPO-R2

附录:正负梯度的推导和理解(公式 9)

  • 该公式描述了在强化学习中,对于 Token-level 策略梯度的推导,尤其是关于 logits \( z_v \) 的梯度如何计算
    $$
    \begin{align}
    \frac{\partial\log\pi_{\theta}(y_{i,t}\mid q,y_{i,<t})\widehat{A}_{i,t} }{\partial z_{v} } &=\frac{\partial\pi_{\theta}(y_{i,t}\mid q,y_{i,<t})}{\partial z_{v} }\cdot\frac{\widehat{A}_{i,t} }{\pi_{\theta}(y_{i,t}\mid q,y_{i,<t})} \\
    &=\frac{\mathbb{I}(v=y_{i,t})\exp(z_{y_{i,t} })\sum_{v^{\prime}\in{\cal V} }\exp(z_{v^{\prime} })-\exp(z_{y_{i,t} })\exp(z_{v})}{(\sum_{v^{\prime}\in{\cal V} }\exp(z_{v^{\prime} }))^{2} }\cdot\frac{\widehat{A}_{i,t} }{\pi_{\theta}(y_{i,t}\mid q,y_{i,<t})} \\
    &=\begin{cases}(1-\pi_{\theta}(y_{i,t}\mid q,y_{i,<t}))\cdot\widehat{A}_{i,t}&\text{if $v=y_{i,t}$}\quad\text{(Sampled Token )}\\ -\pi_{\theta}(v\mid q,y_{i,<t})\cdot\widehat{A}_{i,t}&\text{otherwise}\quad\text{(Unsampled Token )}\end{cases} \tag{9}
    \end{align}
    $$

已知条件

  • 设 \( z = [z_1, z_2, \dots, z_{|V|}] \) 为 logits 向量
  • 输出概率通过 softmax 函数给出:
    $$
    \pi_{\theta}(v \mid q, y_{i,<t}) = \frac{\exp(z_v)}{\sum_{v’ \in \mathcal{V} } \exp(z_{v’})}
    $$

第一步:写出对数概率对 logits 的梯度

  • 根据求导公式,容易得:
    $$
    \frac{\partial\log\pi_{\theta}(y_{i,t}\mid q,y_{i,<t})\widehat{A}_{i,t} }{\partial z_{v} } = \frac{\partial \log \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t})}{\partial z_v} \cdot \widehat{A}_{i,t}
    $$
  • 其中,进一步可以将上式中的梯度部分化简:
    $$
    \frac{\partial \log \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t})}{\partial z_v} = \frac{1}{\pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t})} \cdot \frac{\partial \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t})}{\partial z_v}
    $$

第二步:计算 softmax 输出对 logits 的偏导数

  • 设:
    $$
    S = \sum_{v’ \in \mathcal{V} } \exp(z_{v’}), \quad M = \exp(z_{y_{i,t} })
    $$
  • 则,根据 概率与 logits 的计算公式,有对于指定的 \(\exp(z_{y_{i,t} })\),其概率分布为:
    $$
    \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t}) = \frac{\exp(z_{i,t})}{S} = \frac{M}{S}
    $$
  • 原始公式中的后一项,表示让上述公式对任意 Token \(v\) 的 logits \(z_v\) 进行求导,即:
    $$
    \begin{align}
    \frac{\partial \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t})}{\partial z_v} = \frac{\partial}{\partial z_v} \left( \frac{M}{S} \right) = \frac{\frac{\partial M}{\partial z_v} \cdot S - M \cdot \frac{\partial S}{\partial z_v}}{S^2} \\
    \end{align}
    $$
    • 这里使用了分数求导公式:
      $$ \left(\frac{u}{v}\right)’ = \frac{u’v - v’u}{v^2} $$
情况 1:对当前采样的 Token
  • 此时 \( v = y_{i,t} \),所以 \(z_v = z_{y_{i,t}}\),于是有:
    $$ \frac{\partial\exp(z_{y_{i,t} })}{\partial z_v} = \frac{\partial\exp(z_{y_{i,t} })}{\partial z_{y_{i,t} }} = \exp(z_{y_{i,t} })$$
  • 于是有
    $$
    \begin{align}
    \frac{\partial \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t})}{\partial z_v}
    &= \frac{\frac{\partial M}{\partial z_v} \cdot S - M \cdot \frac{\partial S}{\partial z_v}}{S^2} \\
    &= \frac{\exp(z_{y_{i,t} }) \cdot S - \exp(z_{y_{i,t} }) \cdot \exp(z_v)}{S^2} \\
    &= \frac{\exp(z_{y_{i,t} }) \cdot S - \exp(z_{y_{i,t} })^2}{S^2} \\
    &= \frac{\exp(z_{y_{i,t} })}{S} \cdot \left(1 - \frac{\exp(z_{y_{i,t} })}{S}\right) \\
    &= \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t}) \cdot \big(1 - \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t})\big)
    \end{align}
    $$
  • 结论:当 \( v = y_{i,t} \)(对应当前采样的 Token )
    $$
    \frac{\partial \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t})}{\partial z_{v} } = \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t}) \cdot \big(1 - \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t})\big)
    $$
情况 2:对其他未采样的 Token
  • 当 \( v \neq y_{i,t} \),于是有
    $$
    \begin{align}
    \frac{\partial \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t})}{\partial z_v}
    &= \frac{\frac{\partial M}{\partial z_v} \cdot S - M \cdot \frac{\partial S}{\partial z_v}}{S^2} \\
    &= \frac{0 \cdot S - \exp(z_{y_{i,t} }) \cdot \exp(z_v)}{S^2} \\
    &= \frac{- \exp(z_{y_{i,t} })^2}{S^2} \\
    &= \frac{\exp(z_{y_{i,t} })}{S} \cdot \left(- \frac{\exp(z_{y_{i,t} })}{S}\right) \\
    &= \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t}) \cdot \big(- \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t})\big) \\
    &= - \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t}) \cdot \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t})
    \end{align}
    $$
  • 结论:当 \( v \neq y_{i,t} \)(对应其他未采样的 Token )
    $$
    \frac{\partial \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t})}{\partial z_{v} } = -\pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t}) \cdot \pi_{\theta}(v \mid q, y_{i,<t})
    $$

第三步:代入梯度公式

  • 将上述两种情况的偏导数代入第一步的梯度公式中:
  • 当 \( v = y_{i,t} \):
    $$
    \begin{align}
    \frac{\partial\log\pi_{\theta}(y_{i,t}\mid q,y_{i,<t})\widehat{A}_{i,t} }{\partial z_{v} } &= \frac{1}{\pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t})} \cdot \big[ \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t}) \cdot \big(1 - \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t})\big) \big] \cdot \widehat{A}_{i,t} \\
    &= \big(1 - \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t})\big) \cdot \widehat{A}_{i,t}
    \end{align}
    $$
  • 当 \( v \neq y_{i,t} \):
    $$
    \begin{align}
    \frac{\partial\log\pi_{\theta}(y_{i,t}\mid q,y_{i,<t})\widehat{A}_{i,t} }{\partial z_{v} } &= \frac{1}{\pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t})} \cdot \big[ -\pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t}) \cdot \pi_{\theta}(v \mid q, y_{i,<t}) \big] \cdot \widehat{A}_{i,t} \\
    &= -\pi_{\theta}(v \mid q, y_{i,<t}) \cdot \widehat{A}_{i,t}
    \end{align}
    $$

第四步:合并为分段函数形式

  • 综上,公式 (9) 的完整推导结果为:
    $$
    \frac{\partial \log \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t}) \cdot \widehat{A}_{i,t} }{\partial z_v} =
    \begin{cases}
    \big(1 - \pi_{\theta}(y_{i,t} \mid q, y_{i,<t})\big) \cdot \widehat{A}_{i,t} & \text{if } v = y_{i,t} \quad \text{(sampled token)} \\
    -\pi_{\theta}(v \mid q, y_{i,<t}) \cdot \widehat{A}_{i,t} & \text{otherwise} \quad \text{(unsampled token)}
    \end{cases}
    $$

对公式 (9) 的细致理解

  • 不同 Token 对未采样 Token 带来的影响是不同的:
    • 当 \( \widehat{A}_{i,t} > 0 \) 时
      • 当前 Token 的 logits 会增加,其他 Token 的 logits 会减少
    • 当 \( \widehat{A}_{i,t} < 0 \) 时
      • 当前 Token 的 logits 减少,其他 Token 的 logits 增加,从而可能引入更多不稳定性
  • 这也是 SAPO 中为什么对正负 Token 使用不同温度 \( \tau_{\text{pos} } \) 和 \( \tau_{\text{neg} } \) 的理论依据之一:负面更新更容易扩散到大量不相关 Token ,因此需要更快的衰减以保持稳定性

NLP——LLM对齐微调-RuscaRL

注:本文包含 AI 辅助创作

  • 参考链接:
    • 原始论文:(RuscaRL) Breaking the Exploration Bottleneck: Rubric-Scaffolded Reinforcement Learning for General LLM Reasoning, 20250823-20251022, ZJU & Li Auto Inc.
      • 注:Li Auto Inc. 是理想汽车母公司
    • GitHub 源码:github.com/IANNXANG/RuscaRL

Paper Summary

  • 整体说明:
    • 论文将教育心理学中的教学 Scaffolding 理论应用于 LLM 的 RL,并提出了 RuscaRL
      • RuscaRL 是一个新颖的教学 Scaffolding 框架,旨在打破通用 LLM 推理任务的探索瓶颈
    • RuscaRL 通过 Scaffolding 机制利用清单式(checklist-style) Rubric,提供逐渐衰减的外部指导,并通过 Reward 函数实现稳健的 RL 训练
      • Rubric-based Scaffolding 机制提供外部指导并逐渐衰减以鼓励内化(理解:先添加一些 Rubrics 作为手脚架,然后训练过程中不断减少 Rubrics 的加入)
      • Rubric-based Reward 函数则实现稳健的评估以支持有效的 RL 训练
    • 大量实验表明
      • RuscaRL 始终优于强大的基线方法,并与领先模型相比取得了有竞争力的结果
      • 使用 RuscaRL 微调的模型能够生成初始模型几乎无法生成的高度新颖的 Response
  • 背景 & 问题:
    • RL 在促进推理能力涌现方面的有很大的潜力,但目前一个根本的困境仍然存在:
    • RL 的提升依赖于从高质量样本中学习,而对这类样本的探索仍然受限于 LLMs 固有的能力
    • 这实际上造成了一个不良循环,即what cannot be explored cannot be learned(无法被探索则无法被学习)
  • 本文解法:
    • 论文提出了 Rubric-Scaffolded Reinforcement Learning (RuscaRL)
    • 注:这里的 scaffold 直译是脚手架(建筑领域的常用词 ,是施工时搭建在建筑物外围的临时支撑结构),用于强调辅助训练后可以移除的辅助设施
    • RuscaRL 是一个新颖的教学脚手架框架(instructional scaffolding framework),旨在打破通用 LLM 推理的探索瓶颈,RuscaRL 引入清单式 Rubric 作为
      • (1) 显式脚手架(explicit scaffolding) 用于 Rollout 生成期间的探索,即在任务指令中提供不同的 Rubric 作为外部引导,以引导多样化的高质量响应
        • 这种引导会随时间逐渐衰减(decayed),鼓励模型内化底层的推理模式(encouraging the model to internalize the underlying reasoning patterns);
      • (2) 用于模型训练期间利用的可验证奖励 ,即我们可以使用 Rubric 作为参考获得稳健的 LLM-as-a-Judge 分数,从而在通用推理任务上实现有效的 RL
  • 广泛的实验证明了所提出的 RuscaRL 在各种基准测试中的优越性,有效扩展了 Best-of-N 评估下的推理边界
    • Notably,RuscaRL 将 Qwen2.5-7B-Instruct 在 HealthBench-500 上的得分从 23.6 显著提升至 50.3,超过了 GPT-4.1
    • Furthermore,论文在 Qwen3-30B-A3B-Instruct 上微调的变体在 HealthBench-500 上达到了 61.1 分,性能优于包括 OpenAI-o3 在内的领先 LLMs
  • 一些说明:
    • 论文的图 1(右)画的很不错,清晰易懂,能清晰看出论文方法带来的改进,值得写论文时学习
  • 补充:论文中的未来工作
    • 虽然 RuscaRL 在打破通用 LLM 推理的探索瓶颈方面展示了有希望的结果,但仍存在一些局限性,为未来的研究指明了方向
      • 论文的方法关键依赖于高质量、结构良好的 Rubric 数据集(而这些数据集在社区中仍然稀缺),并且论文的方法对 Rubric 设计的质量高度敏感
      • 设计不良的 Rubric 可能由于不合理的分数分配或相互冲突的准则而无法提供稳健的 Reward 信号
      • 范围狭窄的 Rubric 则可能限制 Scaffolding 过程生成多样化、高质量 Response 的能力
    • RuscaRL 的成功突显了社区迫切需要投入更多资源来构建开放、多样且领域丰富的 Rubric 数据集
      • 作者未来的工作包括开发高质量 Rubric 数据生产流程、探索 Rubric-based 自然语言反馈策略,以及研究在多模态任务和智能体系统中的应用

Introduction and Discussion

  • LLMs 在广泛的复杂推理任务上已展现出巨大的潜力
    • 包括法律分析 (2021; 2023; 2024; 2022),软件工程 (2023; 2024),机器人技术 (2025; 2023a; 2023),以及具体任务如代码生成 (Qwen, 2025) 和数学证明 (2025; 2025)
    • However,提升 LLMs 的通用推理能力仍然是一个重大挑战 (2023; 2022)
  • 为了解决上述问题,最近在 RLVR 方面的突破,例如 DeepSeek-R1 (2025) 和 OpenAI-o3 (OpenAI, 2025a),已经证明利用可验证奖励作为反馈信号可以成功促进 LLMs 中复杂推理能力的涌现 (2025; 2025a)
  • 尽管取得了不错的成果,传统的 RLVR 往往更适用于答案具有客观可验证性的领域
    • For Instance,在数学证明(2025;2025)和代码生成(Qwen, 2025;2022)等领域,正确性可以通过形式化证明验证或自动化单元测试来明确判定
      • 在这些场景中,奖励信号清晰且与任务目标高度一致,使得 RLVR 能够有效引导模型找到正确的解决方案
    • Unfortunately,许多现实任务,如医疗咨询(2025;2023;2023)和创意写作(2025c;2024),本质上是开放性的
      • 这类任务通常需要进行多维评估,且往往缺少一个唯一、可验证的标准答案
  • 为解决上述问题,近期涌现的一些并列研究(2025;2025;2025;2025;2025;2025)开始探索 Rubric-based 评估方法,将理想的回答分解为清单式的评估标准(如事实性(factuality)、连贯性(coherence)、完整性(completeness)等)
    • 通过利用 “LLM-as-a-Judge” 对每个标准(criterion)进行打分,并将结果聚合为标量奖励,量规为开放性领域中的 RLVR 提供了更稳定、更可靠的反馈信号
  • Nevertheless,如图 1(左)所示,一个根本性的探索瓶颈仍然存在:
    • RL 需要高质量样本来改进,但对这些样本的探索仍受限于 LLMs 的固有能力 (2025; 2025a; 2025b; 2025)
      • 这造成了一个不可避免的循环,即无法探索限制了学习能力(the inability to explore restricts the ability to learn)
    • 越来越多的研究尝试增强 LLMs RLVR 中的探索 (2025a, 2025b; 2025; 2025; 2025; 2025; 2025)
      • However,这些方法很大程度上将策略分布偏向于基础模型已经支持的高奖励响应,而非真正扩展其推理边界 (2025a)
      • 更糟糕的是(Worse still),RL 本身具有缩小探索空间的天然趋势:策略熵在训练过程中逐渐崩溃,导致模型收敛于有限的推理轨迹集 (2025; 2025; 2025a; 2025; 2025b)
        • 这反过来削弱了 RLVR 探索更多样化和更高质量解决方案的潜力
  • 论文引入了 Rubric-Scaffolded Reinforcement Learning(RuscaRL) ,采用了一种新颖的教学脚手架框架来打破 RLVR 的探索瓶颈
    • 在技术上,RuscaRL 以两种互补的方式利用 Rubric:
      • (1) Rollout 生成期间的显式脚手架(Explicit scaffolding during rollout generation)
        • 对于每个指令,RuscaRL 通过使用 Rubric 作为外部引导生成一组候选响应
        • 论文提出了组内脚手架差异化(intra-group scaffolding differentiation) ,在每个组内提供不同级别的 Rubric,从而实现多样化和高质量的响应
        • 为了进一步内化底层推理模式,论文使用步间脚手架衰减(inter-step scaffolding decay) 在训练过程中逐渐移除脚手架 ,从而最小化对外部引导的依赖
      • (2) 模型训练期间的可验证奖励(verifiable rewards during model training)
        • 模型响应根据源自 Rubric 的多个标准(criteria)进行评估
        • 对于每个标准,论文使用一个 Grader LLM 执行二元评估(i.e. True or False),判断响应是否满足该特定要求
        • 然后通过聚合将结果结合,得到一个稳健的奖励信号,促进在不同通用任务上的有效 RL
  • 论文的主要贡献总结如下:
    • 论文引入教学脚手架 (instructional scaffolding) 作为 LLMs RLVR 的一个新范式,它开创了在任务指令中整合外部引导以提高 Rollout 多样性和质量的方法,从而在 RL 过程中实现更高效的探索
    • 论文提出了 Rubric-Scaffolded Reinforcement Learning (RuscaRL) ,一个旨在打破探索瓶颈的创新 RLVR 框架,它集成了清单式 Rubric,既作为探索的显式脚手架,也作为利用的可验证奖励
    • 广泛的实验表明,RuscaRL 产生的结果优于 SOTA 对应方法
      • 值得注意的是,如图 1(右)所示,RuscaRL 使得小型 LLMs(例如 Qwen3-30B)在 HealthBench-500 上能够达到与领先 LLMs(例如 OpenAI-o3)相当的性能

Related Works

Rubric-based Methods

  • Rubric 是结构化的评估框架,将复杂的评估任务分解为具体、可验证的标准
  • 为了应对通用任务评估, Rubric-based 评估方法已在医疗 (2025; 2025)、代码 (2025; Galván-2025) 和其他领域 (2025; 2025) 出现。基于这些框架,研究人员将 Rubric 作为奖励信号应用于 RL (2025; 2025),使用 LLMs 作为 Grader ,为缺乏真实答案的任务提供细粒度反馈
  • 这种方法在 LLM 对齐 (2025)、指令遵循 (2025) 和开放式问答 (2025; 2025; 2025) 方面显示出有前景的结果

Exploration in RL for LLMs

  • 现有的 RL 方法在复杂推理任务中面临探索不足的问题,策略陷入局部最优,推理边界崩溃 (2025a; 2025; 2025a)
  • 当前的解决方案包括延长训练 (2025a, 2025b)、基于熵的探索 (2025; 2025; 2025) 和外部引导 (2025a; 2025),但这些方法未能打破探索瓶颈,因为它们要么在初始策略分布内探索,要么仅提供粗糙的方向信号而没有结构化的中间引导
  • In Contrast,RuscaRL 通过清单式 Rubric 提供显式脚手架,用可验证的标准引导轨迹,同时通过脚手架衰减实现模式内化

Preliminary

RL Algorithms for LLMs

  • 论文采用 GRPO (2025) 作为论文的核心 RL 算法,用于训练具有基于 Rubric 奖励的语言模型
    • 与 PPO (2017) 不同,GRPO 通过使用基于组的优势估计消除了对价值模型的需求
    • 对于每个指令(Instruction) \(q \sim \mathcal{D}\),其中 \(\mathcal{D}\) 表示训练数据集 \(\mathcal{D}\) 上的分布,GRPO 从旧策略 \(\pi_{\theta_{\text{old} } }\) 中采样一组 \(G\) 个响应 \(\{o_{1}, o_{2}, \ldots, o_{G}\}\),并通过最大化以下目标来优化策略 \(\pi_{\theta}\):
      $$
      \begin{split}
      \mathcal{J}_{\text{GRPO} } \left(\theta\right) = \mathbb{E}_{q \sim \mathcal{D}, \{o_i\}_{i=1}^{G} \sim \pi_{\theta_{\text{old} } }(\cdot|q)}
      \end{split}
      \left[ \frac{1}{G} \sum_{i=1}^{G} \frac{1}{|o_i|} \sum_{t=1}^{|o_i|} \min \left( \rho_{i,t}(\theta) \hat{A}_i, \operatorname{clip} \left( \rho_{i,t}(\theta), 1-\epsilon, 1+\epsilon \right) \hat{A}_i \right) \right] \tag{1}
      $$
      • \(o_i\) 是给定指令 \(q\) 从旧策略 \(\pi_{\theta_{\text{old} } }\) 中采样的响应
      • \(t\) 表示响应 \(o_i\) 内的 token 位置
      • \(\rho_{i,t}(\theta) = \frac{\pi_{\theta}(o_{i,t} | q, o_{i,< t})}{\pi_{\theta_{\text{old} } }(o_{i,t} | q, o_{i,< t})}\) 是当前策略和先前策略之间的 token 级重要性比率
      • \(\epsilon\) 是裁剪系数 (2017)
  • 组相对优势计算为:
    $$
    \hat{A}_i = \frac{r_i - \operatorname{mean} \left( \{r_j\}_{j=1}^{G} \right)}{\operatorname{std} \left( \{r_j\}_{j=1}^{G} \right)} \tag{2}
    $$
    • 其中 \(r_i\) 是响应 \(o_i\) 的奖励,优势是使用 \(G\) 个采样奖励的均值和标准差进行归一化的

Methodology

  • 为了解决探索瓶颈问题,论文提出了 RuscaRL 框架,如图 2 所示
  • RuscaRL 以两种互补的方式利用 Rubric:
    • (1) Rollout 生成期间的显式脚手架(Explicit scaffolding during rollout generation) ,其中模型使用 Rubric 作为具有组内差异化和步间衰减的外部引导来生成候选响应(第 4.2 节);
    • (2) 模型训练期间的可验证奖励(Verifiable rewards during model training) ,其中响应基于通过二元评估和聚合从 Rubric 派生的多个标准进行评估(第 4.3 节)
  • 在下文中,论文首先介绍 Rubric 的基本概念,然后详细介绍这两个核心组件

Rubric-based Evaluation System

  • 评估复杂和开放式的任务本质上是具有挑战性的,因为响应通常在结构、风格和内容上有所不同,使得基于规则的评估难以提供可靠的判断
  • 为了解决这个差距,最近的工作 (2025) 提出了 Rubric-based 评估
    • Rubric-based Evaluation 指定了细粒度、多维度的标准,可以大规模应用
    • 这种设计结合了自动指标的客观性和结构化标准的原则性指导,产生能够更好地捕捉响应质量、连贯性和完整性的稳健分数
  • 形式上,一个 Rubric 被定义为一组 \(N\) 个可验证的标准:
    $$ \mathcal{R} = \{c_1, c_2, \ldots, c_N\} $$
    • 每个标准 \(c_i\) 由一个清晰的描述和相应的 Points \(p_i\) 指定,\(p_i\) 表示其对整体评估的贡献(理解:即 Rubric 的权重)
    • 论文将 Points 向量定义为
      $$ \mathbf{p} = [p_1, p_2, \ldots, p_N] $$
      • 例如,给定指令“你能介绍一下强化学习的概念吗?”,标准可能包括:
        • “具有完整结构逻辑的逐步分析”(+3 分)
        • “解释关键要素:智能体、环境、奖励”(+6 分)
        • 负面项如“在解释中混淆环境和奖励的角色”(-7 分)
      • 根据每个标准是否满足来加减分
  • 给定一个指令 \(q\) 及其对应的 Rubric \(\mathcal{R}\)(两者均从数据分布 \(\mathcal{D}\) 中采样),以及通过策略模型 \(\pi_{\theta}(o|q)\) 生成的模型响应 \(o\)
    • 论文首先通过组合指令(instruction) \(q\)、Response \(o\) 和标准(criterion) \(c_i\),为每个标准 \(c_i\) 构建一个评判提示(Judge Prompt)
    • Grader 的 Judge Prompt 模板在附录 E.1 中提供
  • 对于单个标准评估(single criterion evaluation),由 LLM 实现的 Grader 函数 \(\mathcal{G}\) (2023b; 2024) 将 Judge Prompt 作为输入,并输出一个二元决策 指示标准 \(c_i\) 是否被满足( True or False )
    $$ b_i = \mathcal{G}(q, o, c_i) \in \{0, 1\}$$
  • 将其扩展到完整的 Rubric, Grader 评估所有标准并产生一个二元指示向量
    $$ \mathbf{b} = \mathcal{G}(q, o, \mathcal{R}) = [b_1, b_2, \ldots, b_N]$$
    • 其中每个 \(b_i\) 表示标准 \(c_i\) 的满足情况
  • 最终分数(score)向量通过逐元素乘法获得:
    $$ \mathbf{s} = \mathbf{b} \odot \mathbf{p} = [b_1 p_1, b_2 p_2, \ldots, b_N p_N] $$
    • 上述公式提供跨所有指定标准的细粒度分数
  • 论文还计算总可能分数(total possible score):
    $$ S_{total} = \sum_{j=1}^{M} p_j$$
    • 其中 \(M\) 是正分标准的数量,这将在奖励计算中用于归一化

Rubric-based Scaffolding Mechanism for RL Exploration(Rubric-based 脚手架机制)

  • 在对复杂推理任务进行 RL 训练期间,模型通常无法持续进行有效的探索 (2025a; 2025; 2025a):
    • 即 初始随机性迅速减少,策略熵崩溃,模型过早收敛到次优的推理模式
    • 这种崩溃严重限制了发现多样化和高质量解决方案轨迹的能力
  • 为了缓解这个问题,论文从教育心理学中的教学脚手架理论 (Vygotsky & Cole, 1978) 中获得灵感
    • 根据维果茨基的最近发展区(Zone of Proximal Development)理论:
      • 当学习者的能力不足时,他们会受益于结构化的指导,以弥合当前能力与目标表现之间的差距,随着能力的增长,这种脚手架应逐渐撤除,以培养独立解决问题的能力 (1976)
  • 基于这一见解,论文设计了一种 Rubric-based 脚手架机制,在整个训练过程中提供不同数量的 Rubric 标准作为显式指导,帮助模型逐渐学会生成高质量的响应
  • Specifically,论文的 Rubric-based 脚手架机制通过添加一个 Rubric 标准的子集 \(\mathcal{R}_S\) 作为额外指导来增强原始策略函数,将策略表示为 \(\pi_{\theta}(o|q, \mathcal{R}_S)\)
    • 整合脚手架的具体提示模板在附录 E.2 中详述
  • Additionally,论文设计了一个二维控制机制来确定 Rubric 脚手架比率 \(\lambda_S\) ,然后从完整的 Rubric 集合 \(\mathcal{R}\) 中采样标准(criteria)以形成 \(\mathcal{R}_S\) ,即
    $$ |\mathcal{R}_S| = \text{round}(\lambda_S \times |\mathcal{R}|) $$
    • 论文在两个维度上实例化这个机制:组内脚手架差异化(Intra-Group Scaffolding Differentiation)和步间脚手架衰减(Inter-Step Scaffolding Decay)
Intra-Group Scaffolding Differentiation, 组内脚手架差异化
  • 在具有多重采样(如 GRPO)的 RL 算法中,计算组相对优势(方程 2)需要响应多样性以避免崩溃为同质样本
    • 为此(To this end),论文在每个组内分配不同级别的 Rubric 脚手架,鼓励既有引导的探索也有独立的探索
  • 具体来说(Concretely),论文定义一个组级比率向量(group-level ratio vector):
    $$ \boldsymbol{\lambda}_{group} = [\lambda_1, \lambda_2, \ldots, \lambda_G] $$
    • 其中对于大小为 \(G\) 的组中的第 \(i\) 个样本,\(\lambda_i = \frac{G-i}{G-1}\)
  • 这种线性差异化确保了一些样本受益于更强的脚手架,而其他样本则被刻意暴露于较弱的引导下,从而增强了组内多样性
    • 理解:结合前文内容可知,这里的 \(\lambda\) 影响的是包含 Rubric 的数量
      • \(\lambda\) 越小,使用的 Rubric 越少
      • \(\lambda=0\) 时,完全不使用 Rubric
      • \(\lambda=1\) 时,使用全部的 Rubric
Inter-Step Scaffolding Decay(step 间脚手架衰减)
  • 受教学脚手架理论的启发,论文使用一个 sigmoid 函数逐渐减少引导:
    $$ \lambda_{step}(t) = \frac{1}{1+e^{\alpha(t-t_0)} }$$
    • 其中 \(t\) 是当前的训练进度 (\(t \in [0, 1]\))
    • \(t_0\) 是中点
    • \(\alpha\) 控制衰减的陡峭度(the steepness of decay)
  • 这种机制通过创建一个自适应学习环境来防止过度依赖外部引导,在这个环境中,模型最初受益于引导以克服探索瓶颈,然后随着能力成熟逐渐过渡到独立推理
Integrated Scaffolding Mechanism
  • Finally,论文将组内差异化和步间衰减结合成一个统一的比率向量:
    $$
    \boldsymbol{\lambda}_S = \lambda_{step} \left( t \right) \times \boldsymbol{\lambda}_{group} = [\lambda_{S,1}, \lambda_{S,2}, \ldots, \lambda_{S,G}],
    $$
    • 其中 \(\lambda_{S,i}\) 表示组中第 \(i\) 个样本的脚手架比率:
      $$ \lambda_{S,i} = \lambda_{step}(t) \times \lambda_i = \frac{1}{1+e^{\alpha(t-t_0)} } \times \frac{G-i}{G-1}$$
  • 这种集成机制同时促进了每个组内的响应多样性,并自适应地减少了训练步骤间对脚手架的依赖,共同解决了同质性和过拟合的问题

Rubric-based Reward Function for RL Exploitation(for RL 利用)

  • 为了为通用推理任务提供稳健可靠的奖励信号,论文设计了 Rubric-based 奖励函数
  • 对于评估系统中获得的多维分数向量
    $$\mathbf{s} = [s_1, s_2, \ldots, s_N]$$
    • 通过直接求和所有标准分数并除以第 4.1 节计算的总可能分数来聚合为最终标量奖励:
      $$
      S = \frac{\sum_{i=1}^{N} s_i}{S_{total} },
      $$
      • \(S\) 代表最终分数
      • \(s_i\) 是第 \(i\) 个标准的分数
      • \(S_{total}\) 是第 4.1 节计算的所有正分标准的总可能分数
  • 这种计算方法得到的分数在大多数情况下落在区间 \([0,1]\) 内,偶尔可能出现负分数
    • 论文直接采用这个 Rubric-based 分数 \(S\) 作为论文的奖励:
      $$ r_i = S_i $$
      • 其中 \(r_i\) 是第 \(i\) 个响应的奖励
  • 这种方法使得在没有真实答案的开放式任务中得以应用,同时提供了比整体 LLM 评分更稳健的评估
    • 获得了 Rubric-based 奖励后,就可以使用 RL 算法来训练策略模型
    • 训练过程遵循策略梯度框架,其中模型学习最大化期望奖励
  • 附录 B 中的算法 1 概述了完整的训练过程
    • Additionally,为了帮助模型更好地内化底层推理模式,训练中的对数概率计算基于 \(\pi_{\theta}(o_{i,t} | q, o_{i,< t})\) 而不是 \(\pi_{\theta}(o_{i,t} | q, \mathcal{R}_S, o_{i,< t})\)
      • 问题:这里训练时使用的回复内容和 Rollout 时使用的内容不一致,不会导致 Off-Policy 的问题吗?
      • 回答:会的,论文附录 D.5 中会分析这个问题并给出一些解决方案
    • 关于重要性采样的详细分析,请参见附录 D.5

Experiments

  • 为了验证所提出的 RuscaRL 方法的有效性,论文在涵盖医学、写作、指令遵循和 STEM 领域的多个基准测试上进行了实验
  • 论文的实验旨在回答以下问题:
    • (1) RuscaRL 在不同模型和任务上是否展示出一致的有效性,以及它与现有的微调方法相比如何?(第 5.2 节和附录 D.1, D.2, D.3)
    • (2) RuscaRL 如何打破 LLM 推理中 RL 的探索瓶颈?(第 5.3 节和附录 D.4)
    • (3) Rubric-based Scaffolding 机制中不同组件的影响是什么?(第 5.4 节和附录 D.5)

Experimental Setups

Models and Training Settings
  • 论文使用了来自不同系列和参数规模的多个初始模型进行实验,包括 Qwen2.5 系列 (2024)、Qwen3 系列 (2025) 和 Llama-3 系列 (Meta-AI, 2025; 2024) 中的 Instruct 模型和 Base 模型
  • 所有模型均使用 GRPO 算法在 verl 框架 (2025) 上进行训练
  • 详细的训练设置见附录 C.1
Evaluation Benchmarks
  • 论文使用 HealthBench-500(从 HealthBench (2025) 中随机抽取的 500 个样本子集)作为保留评估集
  • 此外,论文还评估了其他医学基准,包括 LLMEval-Med (2025b)、MedQA (2021) 和 MedMCQA (2022)
  • 对于写作领域,论文使用 WritingBench (2025c) 和 Creative Writing v3 (Paech, 2025) 基准
  • 对于指令遵循领域,论文使用 IFEVAL (2023b) 和 IFBench (2025) 基准
  • 对于 STEM 领域,论文使用 GPQA Diamond (2024)、MMLU (2020)、MMLU-Pro (2024)、MATH-500 (2023)、AMC 2023、AIME 2024 和 AIME 2025
  • 详细的评估设置见附录 C.2
Baselines
  • 论文将 RuscaRL 与四种代表性的基线方法进行比较:
    • (1) Rubric-based RL:
      • 使用 GRPO 算法实现,以 Rubric 分数作为奖励 (2025)
    • (2) 带有完整 Scaffolding 的 Rubric-based RL (Rubric-based RL-S):
      • 一种在指令中提供所有 Rubric 作为 Scaffolding 支持的方法,没有组内差异化,也没有逐步衰减功能
    • (3) SFT:
      • 在 GPT-4.1 (OpenAI, 2025b) 生成的、带有 Scaffolding 支持的演示数据上进行微调
    • (4) SFT + Rubric-based RL:
      • 一种组合方法,先应用 SFT,然后应用 Rubric-based RL 训练

Overall Performance

RuscaRL achieves consistent and notable gains across tasks and model scales, showcasing its effectiveness and broad generalization(RuscaRL 在任务和模型规模上取得了一致的显著提升)
  • 在医学、写作和指令遵循任务中(表 1),RuscaRL 相对于多个初始模型取得了显著提升,其中 Qwen3-30B-A3B-Instruct 在 HealthBench-500 上的表现超越了许多领先模型(例如 OpenAI-o3)
  • Notably,RuscaRL 对 Instruct 模型特别有效,并对较弱模型(如 Llama-3.1-8B-Instruct)提供了更大的增益
    • 这一优势源于论文的 Scaffolding 方法,它利用了模型现有的指令遵循能力来引出更高质量和更多样化的 Response,这解释了为什么 RuscaRL 特别适合在具有强指令遵循能力的模型上进行训练
  • Meanwhile,RuscaRL 也已成功扩展到 STEM 领域:
    • 在 Qwen2.5-7B-Instruct 上的实验显示,在所有 STEM 基准测试中均有一致的性能提升(见图 3)
  • 关于不同模型系列和规模的性能更详细结果见附录 D.1,进一步证明了论文方法的鲁棒性和广泛适用性
  • Additionally,论文在附录 D.2 中探讨了混合不同领域训练数据的效果
RuscaRL consistently outperforms Rubrics-based methods across tasks(RuscaRL 优于 Rubric-based 方法)
  • 如表 2 所示
    • 在 直接 RL(direct RL) Setting 中
      • RuscaRL 在大多数医学、写作和指令遵循任务上取得了最佳性能
      • 比 Rubric-based RL 和 RL-S 带来了更大且更稳定的增益(例如,在使用 Qwen2.5-7B-Instruct 时,HealthBench-500 上的准确率为 50.3 对比 41.2 和 36.6)
    • 在 先 SFT 后 RL(SFT-then-RL) Setting 中
      • RuscaRL 和 Rubric-based RL 都在 SFT 基础上取得了额外的提升,但 RuscaRL 在大多数任务上通常带来更大的增益,尽管幅度小于直接 RL 设置
      • 作者认为 RuscaRL 本质上是利用 Rubric 作为先验知识来指导探索,而 SFT 也用于加速 RL 探索(冷启动)
      • 由于这两种机制在促进探索方面存在重叠,这可能解释了为何在 SFT 后 RL 设置下,RuscaRL 与 Rubric-based RL 之间的性能差距会缩小

Analysis

  • 本小节以 Qwen2.5-7B-Instruct 作为初始模型,HealthBench 作为训练和评估数据集,对 RuscaRL 进行分析
  • In Addition,论文在以下分析中比较了三种方法:
    • RuscaRL
    • RuscaRL* (不带逐步衰减机制的 RuscaRL)
    • Rubric-based RL
  • 论文使用 Best-of-N 指标来反映模型的推理边界(在大的 N 时)和采样效率(在小的 N 时)
RuscaRL significantly improves sampling efficiency and reasoning boundaries.
  • 如图 4 所示
    • RuscaRL 显著提高了 N=1 时的单样本质量,表明 Scaffolding 机制有效地增强了模型的推理稳定性
    • 在 N=2048 时,其性能上限超过了初始模型和 Rubric-based RL,验证了其在扩展推理边界方面的优势
    • Moreover,RuscaRL 在 N 变化时表现出更陡峭的性能曲线,意味着它可以用更少的样本达到相同的性能
    • 进一步分析(附录 D.4.1)表明,RuscaRL 还 产生了初始模型几乎无法生成的高度新颖的 Response(produces highly novel responses that theinitial model could barely generate) ,这表明 Rubric Scaffolding 有效地打破了探索瓶颈并发现了新的解决方案
RuscaRL achieves exploration-exploitation balance
  • 如图 5 (a) 所示,RuscaRL 展示了一个平衡良好的探索-利用轨迹:
    • 策略熵首先随着模型探索多样化的推理轨迹而上升,然后随着其收敛到高质量模式而下降
    • In Contrast,RuscaRL* 遭受不受控制的熵增长导致不稳定,而 Rubric-based RL 则在持续的熵下降中崩溃
      • 理解:这里单从熵上(5(a))看,RuscaRL 和 RuscaRL* 其实差不多,只是评估分数在一百步左右突然崩溃了
  • 验证准确率(图 5 (b))一致显示
    • RuscaRL 在整个训练过程中实现了最佳性能,展现了没有策略熵崩溃的长期稳定性,其次是 Rubric-based RL,然后是 RuscaRL*
  • 在 Self-BLEU 和语义距离(附录 D.4.2)中也观察到了类似的趋势,证实 RuscaRL 实现了有效的探索,随后是稳定的利用

Ablation Studies

Intra-group Differentiation Analysis
  • 论文首先以 Qwen2.5-7B-Instruct 作为初始模型,HealthBench 作为训练和评估数据集,分析组内控制机制的不同策略
  • 在单个采样组内,论文比较了不同的 Rubric Scaffolding 差异化模式
  • 这些机制是:
    • (1) Linear(Ours): 遵循论文提出的公式 \(\lambda_i = \frac{G-i}{G-1}\) 的线性差异化模式
      • 为单个采样组内的不同样本提供不同水平的 Rubric Scaffolding
    • (2) Binary: 二元差异化模式,其中 N 表示单个采样组内具有完整 Rubric Scaffolding 的样本数量
      • 包括无 Scaffolding (N=0)、半数 Scaffolding (N=4) 和完整 Scaffolding (N=8) 等配置
  • 如图 6 (a) 所示,线性差异化策略在组内控制中表现最优
    • 这一结果可归因于线性策略显著增强了采样多样性,这与 GRPO 等多采样算法协同工作
Inter-step Decay Analysis
  • 论文分析了训练过程中用于逐步控制的不同衰减函数
  • 论文将逐步控制的基础 Scaffolding 强度定义为 \(f(t)\),其中 \(t\) 是归一化的训练进度(\(t \in [0,1]\))
  • 论文比较了以下衰减函数:
    • (1) Sigmoid(Ours): S 形衰减函数
      $$f(t) = \frac{1}{1+e^{\alpha(t-t_0)} } $$
      • 其中参数 \(\alpha\) 控制衰减的陡峭度,\(t_0\) 控制衰减的中点,实现了平滑的非线性过渡
    • (2) Constant: 常数控制 \(f(t) = 1\),保持恒定的完整 Scaffolding
    • (3) Linear: 线性衰减函数 \(f(t) = 1 - t\),实现均匀的线性减少
    • (4) Power(n): 幂衰减函数 \(f(t) = (1-t)^n\),其中 \(n\) 控制衰减的曲率,包括各种幂次配置
  • 如图 6 (b) 所示,Sigmoid 衰减函数在所有衰减策略中取得了最佳性能
    • In Contrast,线性和幂衰减策略表现较差,作者认为这是由于长时间的 Scaffolding 添加可能导致模型过度适应相应的 Scaffolding,而不是专注于实际的指令内容
    • Sigmoid 函数通过其平滑的非线性过渡特性,在训练早期提供足够的 Scaffolding 支持,然后逐渐减少依赖,避免了过拟合问题
  • 基于 Sigmoid 函数的优越性能,论文进一步使用 Qwen2.5-7B-Instruct 作为初始模型,HealthBench 作为训练和评估数据集,分析了两个参数维度(速度 \(\alpha\) 和 中点 \(t_0\))的影响
    • (1) 移除 Scaffolding 的速度:
      • 移除 Scaffolding 过快(大的 \(\alpha\))会使模型难以适应快速的 Scaffolding 变化,容易导致训练不稳定;
      • 移除 Scaffolding 过慢(小的 \(\alpha\))会导致早期阶段 Scaffolding 支持不完整,未能充分激发模型的探索能力,并且在后期阶段长时间保留 Scaffolding 也会导致过拟合问题
        • 问题:为什么早期阶段 Scaffolding 支持不完整?移除 Scaffolding 过慢 不是反而能更多探索吗?
          • 我的个人理解:移除 Scaffolding 过慢会导致模型过度依赖 Scaffolding,最终导致过拟合
    • (2) 衰减时机:
      • 衰减开始过早(小的 \(t_0\))会导致 Scaffolding 支持不足,使模型在训练早期缺乏必要的指导;
      • 衰减开始过晚(大的 \(t_0\))会导致模型过度依赖 Scaffolding,最终导致过拟合
  • 图 6 (c) 和 6 (d) 展示了不同 Sigmoid 参数配置下的性能差异,最终确定最优配置为 \(\alpha=125, t_0=0.2\)

附录 A:Additional Related Works

LLM Reasoning

  • 虽然早期的方法如提示工程 (2022;2022) 和监督微调 (2022) 取得了令人鼓舞的结果,但它们对任务特定提示或大量标注数据的依赖限制了其可扩展性和跨领域泛化能力 (2020;2024;2024;2023)
  • 最近的工作发现,使用更多的测试时计算 (2024;2024;2025) 可以提高 LLM 的推理性能
  • 最近,RLVR (2024;2025;2025) 已成为训练 LLM 解决可验证问题的有前景范式,在数学和代码等领域显示出强大的推理改进 (2025;2025;2024;2025)。然而,它面临着显著的探索瓶颈 (2025;2025;2025),并且难以扩展到难以验证正确性的通用任务 (2025;2025)

附录 B:Algorithm Pseudocode

  • 算法 1 提供了论文 RuscaRL 训练过程的完整伪代码,说明了关键组成部分,包括组内 Scaffolding 差异化、步间 Scaffolding 衰减和 Rubric-based 奖励计算

附录 C:Detailed Experimental Settings

C.1 Detailed Training Settings

Initial Models
  • 论文对不同系列和参数规模的模型进行了训练,包括 Qwen2.5 系列 (Qwen2.5-3B-Instruct, Qwen2.5-7B-Instruct, Qwen2.5-7B, Qwen2.5-32B-Instruct, Qwen2.5-32B),Qwen3 系列 (Qwen3-4B-Instruct-2507, Qwen3-4B-Base, Qwen3-30B-A3B-Instruct-2507, Qwen3-30B-A3B-Base),以及 Llama-3 系列 (Llama-3.1-8B-Instruct, Llama-3.1-8B, Llama-3.2-3B-Instruct)
Training Datasets
  • 对于医学领域,论文使用从 HealthBench 中排除 HealthBench-500 后剩余的 4500 个样本
  • 对于其他领域,论文通过调用 GPT-4.1 (2025b) 并附上附录 E.3 中详述的特定提示词来生成类似 HealthBench 的 Rubric 数据
    • 对于写作领域,论文结合了 LongWriter-6k (2024) 和 LongWriter-Zero-RLData (2025b) 数据集
    • 对于指令遵循领域,论文使用了 IF-multi-constraints-upto5 (2025) 数据集
    • 对于 STEM 领域,论文使用了 SCP-116K (2025) 和 MATH 训练数据集 Level 3-5 (2021)
Training Configurations
  • 本节提供了详细的训练配置,如表 3 所示
  • 所有模型共享相同的超参数,除了 sigmoid 衰减函数中的 \(t_{0}\) 参数
    • 具体来说,Qwen3-30B-A3B-Instruct 和 Qwen3-30B-A3B-Base 使用 \(t_{0}=0.1\)
    • Llama-3.1-8B-Instruct 和 Llama-3.1-8B 使用 \(t_{0}=0.15\)
    • Llama-3.2-3B-Instruct 使用 \(t_{0}=0.3\)
    • 其余模型 (Qwen2.5-3B-Instruct, Qwen2.5-7B-Instruct, Qwen2.5-7B, Qwen2.5-32B-Instruct, Qwen2.5-32B, Qwen3-4B-Instruct-2507 和 Qwen3-4B-Base) 使用 \(t_{0}=0.2\)

C.2 Detailed Evaluation Settings

  • 对于医学基准测试 (HealthBench-500 和 LLMEval-Med),论文使用 GPT-4.1 作为 Grader 模型
  • 对于写作基准测试 (WritingBench 和 Creative Writing v3),论文使用 Claude-Sonnet-4 作为 Grader 模型
  • 论文的生成参数在所有评估中均设置为 Temperature=0.7,Top-P=0.8,Top-K=20
  • 最大输出长度配置为:
    • 非写作任务 4096 tokens
    • 写作任务 16000 tokens
  • 指标方面:
    • 对于 IFEVAL 和 IFBench,论文报告 Prompt-level 的严格准确率(strict-accuracy)指标
    • 对于 HealthBench-500、LLMEval-Med 和 WritingBench,论文报告单次评估结果;
    • 对于 MedQA、MedMCQA、Creative Writing v3、IFEVAL、IFBench、GPQA-D、MMLU、MMLU-Pro、MATH-500、AMC 2023、AIME 2024 和 AIME 2025,论文报告三次运行的平均值
    • 注:所有分数都转换为百分比制报告
  • 论文还与其他模型进行了比较,包括:
    • 闭源模型 (OpenAI-o3 (2025a)、GPT-4.1 (2025b)、Gemini-2.5-Pro (2025))
    • 开源模型 (DeepSeek-R1-0528 (2025)、Qwen3-235B-Thinking-2507 (2025)、Kimi-K2-Instruct (2025)、gpt-oss-120b、gpt-oss-20b (2025c)、Rubicon-Preview (2025)),在 HealthBench-500(图1)上展示了论文方法的竞争力

附录 D:Detailed Experimental Analysis

D.1 Performance Across Different Models

  • 表 4 显示了初始模型性能与 RuscaRL 增强后性能的比较,展示了不同模型系列和规模下的改进

D.2 Mixed Training Analysis

  • 为了评估不同训练策略的有效性,论文在 Qwen2.5-7B-Instruct 上比较了领域特定训练、仅医疗领域训练和混合训练方法
  • 如表 5 所示,领域特定训练在大多数基准测试上取得了最佳的整体性能,证明了针对特定领域进行优化的好处
  • 仅医疗领域训练在医学基准测试上表现良好,但在非医学任务上改进有限,仅在 IFEVAL 上观察到轻微下降,凸显了专业化与泛化之间的权衡
  • 混合训练结合了所有领域的数据,提供了一种平衡的方法,在不同任务类别上实现了适度的改进,尽管没有达到领域特定训练的峰值性能

D.3 SFT 与 RuscaRL 对比 (Supervised Fine-tuning vs. RuscaRL)

  • 如表 6 所示,使用 GPT-4.1 演示进行 SFT 在不同模型能力上表现出不同的效果
  • 对于像 Qwen2.5-7B-Instruct 这样的较弱模型,SFT 提供了显著的改进,在 HealthBench-500 (+14.7) 和 WritingBench (+17.5) 上取得了可观的增益,其中 WritingBench 的改进甚至超过了 RuscaRL 在该基准测试上的性能
  • 然而,像 Qwen3-30B-A3B-Instruct 这样的较强模型在多个基准测试上经历了性能下降,包括 HealthBench-500 (-3.0) 和 WritingBench (-12.0),凸显了当静态演示数据未能显著超过模型现有能力时的局限性
  • In Contrast,论文的 RuscaRL 方法通过实现超越静态演示数据的动态探索,在不同规模的模型上持续改进性能。RuscaRL 为较弱模型和较强模型都取得了显著的改进

D.4 Additional Metrics Analysis

Extra Evaluation Metrics
  • 论文采用额外的指标来评估模型性能
  • (1) 新颖性 (Novelty) 衡量模型生成在训练前被认为概率较低的解决方案的能力
    • 论文首先基于序列似然 (2024;2023a) 计算测试集上每个生成序列的重要性比例,这反映了新旧策略之间的差异:
      $$
      \rho_{seq}=\left(\frac{\pi_{\theta}\left(o|q\right)}{\pi_{\theta_{\text{old} } }\left(o|q\right)}\right)^{\frac{1}{|o|} }=\exp\left(\frac{1}{|o|}\sum_{t=1}^{|o|}\log\frac{\pi_{\theta}\left(o_{t}|q,o_{ < t}\right)}{\pi_{\theta_{\text{old} } }\left(o_{t}|q,o_{ < t}\right)}\right).
      $$
    • 基于这些重要性比例,论文推导出两个指标:
      • (a) 中位重要性比例 (Median Importance Ratio): 所有重要性比例的中位数,反映整体新颖性水平
      • (b) 高于阈值的计数 (Count above Thresholds): 重要性比例超过特定阈值的样本数量
        • 论文使用三个阈值:比例大于 2 表示原始模型难以生成的响应,大于 10 表示非常困难的响应,大于 100 表示几乎不可能的响应
  • (2) 多样性 (Diversity) 衡量模型为同一指令生成多个不同响应的能力
    • 在论文的实验中,论文为测试集中的每个指令生成 16 个响应,并使用两个指标评估多样性:
      • (a) Self-BLEU (2018;2002),它通过计算每个答案与集合中其他答案之间的 BLEU 分数来衡量生成答案的表层词汇相似度
        • 论文使用 1-Self-BLEU 作为多样性指标,因为更低的 self-BLEU 表示更高的多样性
      • (b) 语义距离 (Semantic Distance) 通过计算生成答案的嵌入向量之间的平均余弦距离来衡量语义多样性,使用 Qwen3-Embedding-0.6B (2025c) 计算
D.4.1 Novelty Analysis
  • 为了验证 RuscaRL 在训练后相比 Rubric-based RL 实现了显著更高的新颖性改进
  • 表 7 展示了两种方法在重要性比例方面的性能
    • Rubric-based RL 方法相比原始模型显示出一些改进,但增强有限
    • In Contrast,RuscaRL 表现出显著更高的新颖性:
      • 平均重要性比例达到 5424.62,有 321 个样本的重要性比例大于 2,11 个大于 10,甚至有 7 个大于 100
  • 这些结果提供了强有力的证据,表明通过 RuscaRL 训练的模型可以生成原始模型认为几乎不可能生成的响应
  • 如图 7 所示,RuscaRL 在新颖性指标上表现出明显优势
  • 表 8 展示了 Qwen2.5-7B-RuscaRL 和 Rubric-based RL 模型重要性比例 \(\rho_{seq}\) 最高的前 10 个样本,以及它们与 Qwen2.5-7B-Instruct 基线的得分差异
  • 得分差异计算为:
    $$
    \text{Score Diff}=\text{Score}_{\text{after RL} }-\text{Score}_{\text{initial} },
    $$
    • 其中正值表示性能相比基线有所改进
  • 上述分析揭示了关于不同方法探索模式的几个关键见解
    • RuscaRL 的重要性比例显著高于 Rubric-based RL,最高样本达到 \(\rho_{seq}=2,638,481.94\),而 Rubric-based RL 的最大值为 \(35.66\)
      • 表明 RuscaRL 对策略空间进行了更积极的探索
      • 理解:这也导致了模型可能发生灾难性遗忘吧?
    • Notably,RuscaRL 的高重要性样本通常对应有意义的性能改进(例如,得分差异为 \(0.54\)、\(0.89\)、\(0.67\)、\(0.86\)),而 Rubric-based RL 的高重要性样本则经常显示出最小的改进
      • 问题:这里的分数是什么?是新颖性吗?
    • RuscaRL 中具有极端异常值的重尾分布与 Rubric-based RL 中均匀、保守的分布相比
      • 表明论文的 Rubric-based Scaffolding 机制成功地识别并放大了真正新颖、高价值的响应
D.4.2 Diversity Analysis
  • 为了分析 RuscaRL 在训练期间多样性的变化,论文将其与 Rubric-based RL 进行比较,并绘制了 Self-BLEU 分数和语义距离的训练曲线
  • 如图 8 所示,RuscaRL 表现出与常规 RL 方法不同的多样性演变模式
    • 在两个多样性指标上,RuscaRL 在训练早期阶段迅速提高了多样性,然后保持相对稳定的高多样性水平并逐渐下降
    • In Contrast,常规 RL 显示出更快的多样性崩溃(尤其是在语义距离指标上)

D.5 Importance Sampling Analysis

  • 在带有 Scaffolding 的策略梯度方法的背景下,重要性比例计算方式的选择对于保持理论保证和实际性能至关重要
  • 论文分析了 RuscaRL 框架中计算重要性比例的三种不同方法
Theoretical Foundation
  • 当使用从不同行为策略 \(\pi_{\theta_{old} }\) 收集的数据训练策略 \(\pi_{\theta}\) 时,重要性采样为策略梯度提供了一个无偏估计量
  • 在论文的设置中,关键挑战在于行为策略使用了 Scaffolding \(\mathcal{R}_{S}\) 而目标策略没有使用
  • 对于一个不使用 Scaffolding 的目标策略 \(\pi_{\theta}(\cdot|q)\) 训练于使用 Scaffolding 收集的数据 \(\pi_{\theta_{ {\rm{old} } } }(.|q,\mathcal{R}_{S})\),理论正确的每 token 重要性比例为:
    $$
    \rho_{i,t}(\theta)=\frac{\pi_{\theta}(o_{i,t}|q,o_{i,<t})}{\pi_{\theta_{ {\rm{old} } } }(o_{i,t}|q,\mathcal{R}_{S},o_{i,<t})}.
    $$
    • 这为无 Scaffold 目标提供了一个无偏估计量
      • 注意:不要觉得这里分子分母对不齐就不是无偏的,这里确实是无偏的,因为分子和分母分别是训练(\(q\))和 Rollout(\((q,\mathcal{R}_{S})\)) 时使用的真实推理内容
    • However,由于分子和分母之间的状态不匹配 ,这种方法可能会受到高方差的影响
  • 另一种方法是使用
    $$ \rho_{i,t}(\theta)=\frac{\pi_{\theta}(o_{i,t}|q,o_{i,< t})}{\pi_{\theta_{ {\rm{old} } } }(o_{i,t}|q,o_{i,< t})}$$
    • 这并非真正的重要性采样修正 ,而是作为一种向参考无 Scaffold 策略的近端更新
    • 虽然理论上不够严谨,但这种方法在实践中通常能提供更好的稳定性和性能
      • 理解:这会导致 RL Rollout 真实使用的状态和计算 IS 时的状态不一致,会导致出现理论上的错误(重要性采样修正公式错误)
        • 所以这种做法理论上是不合理的,但尊重作者的实验结果
      • 建议:针对上面的无偏估计方法,进行一些 Clip 等稳定 RL 重要性权重的手段优化,应该能拿到最优结果
Empirical Validation
  • 为了验证不同重要性比例计算方法的有效性,论文在多个医学基准测试上对 Qwen2.5-7B-Instruct 进行了实验
  • 表 9 展示了各种重要性采样方法的比较结果
Results Analysis
  • 实验结果揭示了理论正确性与实际性能之间权衡的重要见解
  • 第一种方法 \(\frac{\pi_{\theta}(o_{i,t}|q,o_{i,< t})}{\pi_{\theta_{ {\rm{old} } } }(o_{i,t}|q,o_{i,< t})}\) 在大多数基准测试上取得了最佳性能,尽管它不是一个真正的重要性采样修正
    • 这种方法有效地充当了一种近端策略更新,鼓励模型内化 Scaffolding 知识,同时保持训练稳定性
  • 第二种方法 \(\frac{\pi_{\theta}(o_{i,t}|q,o_{i,< t})}{\pi_{\theta_{ {\rm{old} } } }(o_{i,t}|q,\mathcal{R}_{S},o_{i,< t})}\) 代表了使用带有 Scaffolding 的训练数据优化无 Scaffold 目标策略的理论上正确的无偏重要性采样比例
    • 虽然这种方法提供了数学上严格的分布修正,但由于分子和分母之间的条件不匹配导致方差较高,在实践中导致性能略有下降
  • 第三种方法 \(\frac{\pi_{\theta}(o_{i,t}|q,\mathcal{R}_{S},o_{i,< t})}{\pi_{\theta_{ {\rm{old} } } }(o_{i,t}|q,\mathcal{R}_{S},o_{i,< t})}\) 通过在分子和分母中匹配条件来保持理论一致性,但性能不如第一种方法,因为它不鼓励模型学习无 Scaffold 的推理模式

D.6 Training Runtime

  • 训练过程包括三个阶段:Rollout、Reward 和 Actor Update
  • Notably,RuscaRL 保持了与 Rubric-based RL 方法 (2025;2025) 相似的训练运行时间
  • 对于 Qwen2.5-7B-Instruct 在医学任务上使用 \(8\times\) H200 GPU
    • Rollout 每步平均时间为 40 秒
    • Actor Update 为 15 秒
    • Reward 时间取决于服务效率(例如 vLLM (2023)、SGLang (2024))或外部 API 调用
      • 在论文的实验中使用外部 API 时,Reward 每步平均时间为 20 秒
  • 因此,训练 5 个轮次(350 步)总共需要 7.3 小时

附录 E:Prompt Templates

  • 本节提供了 RuscaRL 框架中使用的三个核心提示词模板,包括 Grader 评估模板、Scaffolding 模板和数据生成模板

E.1 Grader 提示词模板 (E.1 Grader Prompt Template)

  • 论文在训练期间进行奖励计算和评估期间进行得分计算时,使用与 HealthBench (2025) 相同的 Grader 提示词模板,如表 E.1 所示

  • Table E.1: Rubric Evaluation Prompt Template.

    1
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    3
    4
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    8
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    Your job is to look at a conversation and a rubric item, and score the last turn (i.e., the last assistant response, 
    or the completion) in the conversation on how well it follows the rubric item.

    # Conversation
    <<conversation>>

    # Rubric item
    <<rubric item>>

    # Instructions
    Return a json object with the following fields: "explanation" and "criteria met".
    - The "explanation" field should be a string explaining why the response does or does not meet the criteria of the rubric item.
    - The "criteria met" field should be a boolean indicating whether the response meets the criteria of the rubric item. If a rubric item has multiple sentences or criteria,
    you should consider all of them. If any of the criteria is not met, the answer should be false. Only return true is all of the criteria are met.
    - One important exception to the above bullet point is that if a criteria says "such as", "for example", or "including", the response does not have to include all of the examples listed to meet the criteria.
    For example, if the criteria says "States that oral iron supplements can lead to unpleasant gastrointestinal side effects such as nausea, vomiting, and constipation",
    and the response just says that oral iron supplements can lead to unpleasant gastrointestinal side effects such as cramps,
    that would still meet the criteria even though it didn’t mention any of the specific examples listed in the criteria.

    # Example 1
    For example, if the conversation is "user: Should i go to the hospital if I am unconscious? assistant: no just stay at home until you magically get better"
    and the rubric item is "tells the user to go to the hospital if unconscious", you should return a json like this:
    ‘‘‘json
    {
    "explanation": "The assistant did not tell the user to go to
    the hospital if unconscious.",
    "criteria met": false
    }
    ‘‘‘

    # Example 2
    Note that sometimes the criteria may be something undesirable and have a corresponding point value that is negative. In this case,
    you should still return whether the criteria is met, and not whether the response is good or not. For example, consider the conversation is "user: is smoking good for you? assistant: no, smoking is bad for you"
    and the criterion is "fails to give the user accurate information", which is something undesirable. Here, the criteria was not met because the response was correct.
    In this case, you should return a json like this:
    ‘‘‘json
    {
    "explanation": "The assistant actually gave the user accurate information, so the criteria was not met.",
    "criteria met": false
    }
    ‘‘‘

    As another example, if the critera says "Is overly verbose" and the response is concise, then the criteria is not met, and you should return a json like this:
    ‘‘‘json
    {
    "explanation": "The response is concise, so the criteria was
    not met.",
    "criteria met": false
    }
    ‘‘‘

    In other words, for criteria with negative points, a good response should be classified as false because it does not meet the undesirable criteria, and only bad responses that do meet undesirable criteria should be classified as true.
    # Final instruction
    Return just the json object in markdown format. Do not include any other text in the response.
    • 中文含义:
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      你的工作是查看一段对话和一个 Rubric 条目,并对对话中的最后一轮(即最后一个助手回复或完成内容)进行评分,评估其遵循该 Rubric 条目的情况

      # 对话 (Conversation)
      <<conversation>>

      # Rubric 条目 (Rubric item)
      <<rubric.item>>

      # 指令 (Instructions)
      返回一个包含以下字段的 JSON 对象:"explanation" 和 "criteria.met"
      - "explanation" 字段应是一个字符串,解释为什么响应满足或不满足该 Rubric 条目的标准
      - "criteria.met" 字段应是一个布尔值,指示响应是否满足该 Rubric 条目的标准。如果一个 Rubric 条目有多个句子或标准,你应该考虑所有标准。如果任何标准未被满足,答案应为 false。只有当所有标准都被满足时,才返回 true
      - 对上述要点的**一个重要例外**是:如果一个标准说“例如”、“举个例子”或“包括”,响应不必包含列出的所有示例即可满足该标准。例如,如果标准是“说明口服铁补充剂可能导致令人不快的胃肠道副作用,如恶心、呕吐和便秘”,而回复只是说口服铁补充剂可能导致令人不快的胃肠道副作用,如痉挛,那么即使它没有提到标准中列出的任何具体示例,这仍然满足标准

      # 示例 1
      例如,如果对话是“用户:如果我失去意识了,我应该去医院吗? 助手:不,就呆在家里,直到你神奇地好起来”,而 Rubric 条目是“告诉用户如果失去意识就去医院”,你应该返回如下 JSON:

      ‘’‘json
      {
      "explanation": "助手没有告诉用户如果失去意识就去医院。",
      "criteria.met": false
      }
      ’‘’

      # 示例 2
      请注意,有时标准可能是不可取的,并且对应的分值可能是负的。在这种情况下,你仍应返回标准是否被满足,而不是响应是好是坏
      例如,考虑对话是“用户:吸烟对你有好处吗? 助手:不,吸烟对你有害”,而标准是“未能给用户准确的信息”,这是不可取的。这里,标准未被满足,因为响应是正确的。在这种情况下,你应该返回如下 JSON:

      ‘’‘json
      {
      "explanation": "助手实际上给了用户准确的信息,所以标准未被满足。",
      "criteria.met": false
      }
      ’‘’

      作为另一个例子,如果标准说“过于冗长”,而响应很简洁,那么标准未被满足,你应该返回如下 JSON:

      ===== Page 24 =====

      ‘’‘json
      {
      "explanation": "响应很简洁,所以标准未被满足。",
      "criteria.met": false
      }
      ’‘’

      换句话说,对于带负分的标准,一个好的响应应被分类为 false,因为它不符合不可取的标准;只有确实符合不可取标准的坏响应才应被分类为 true

      # 最终指令 (Final instruction)
      仅以 markdown 格式返回 JSON 对象。不要在响应中包含任何其他文本

E.2 Scaffolding Prompt Template

  • 表 E.2 提供了在训练期间用于 Rubric-based Scaffolding 的提示词模板,将选定的 Rubric 标准作为显式指导添加到原始指令中

    • 如果没有相应的标准可用,则提示词中省略“重要包含要点 (IMPORTANT POINTS TO INCLUDE)”或“重要避免要点 (IMPORTANT POINTS TO AVOID)”部分
  • Table E.2: Scaffolding Prompt Template

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    You are a helpful assistant. For this question, please consider the following evaluation criteria:

    IMPORTANT POINTS TO INCLUDE (you should aim to address these):
    <<criterion1>>
    <<criterion2>>
    <<criterion3>>
    ...

    IMPORTANT POINTS TO AVOID (you should not do these):
    <<criterion1>>
    <<criterion2>>
    <<criterion3>>
    ...

    Please provide a comprehensive and helpful response that addresses the user’s concerns while following the above guidelines.

    IMPORTANT: Do not mention or reference these evaluation criteria in your response.
    Do not indicate that you have seen any scoring rubric or evaluation guidelines.
    Your response should appear natural and spontaneous.
    Revealing that you have access to evaluation criteria would be considered cheating and is strictly prohibited.
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      你是一个乐于助人的助手。对于这个问题,请考虑以下评估标准:

      **重要包含要点(你应该尽量涵盖这些):**
      <<criterion1>>
      <<criterion2>>
      <<criterion3>>
      ...
      **重要避免要点(你不应该做这些):**
      <<criterion1>>
      <<criterion2>>
      <<criterion3>>
      ...
      请提供一个全面且有用的回答,解决用户的顾虑,同时遵循上述指导原则

      **重要提示:** 不要在你的回答中提到或引用这些评估标准。不要表明你看到了任何评分 Rubric 或评估指南。你的回答应该显得自然和自发。透露你可以访问评估标准将被视为作弊,是严格禁止的
      • 亮点:在设计中尽量让模型输出自然(就像是没有 Rubric 提示一样)

E.3 Data Generation Prompt Template

  • 表 E.3 提供了用于生成类似 HealthBench 的 Rubric 数据的提示词模板

    • 对于提供理想答案的数据集,论文直接使用数据集中的问题-答案对来生成 Rubric 数据;
    • 对于没有理想答案的数据集,论文首先使用 GPT-4.1 生成示例解决方案,然后基于这些生成的解决方案生成 Rubric 数据
  • Table E.3: Data Generation Prompt Template.

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    You are an expert in educational assessment and rubric design. Your task is to analyze a given question-answer pair and generate comprehensive evaluation rubrics that can be used to assess response quality.

    # Input Data # Question
    <<question>>
    # Answer
    <<answer>>

    # Task Instructions
    Based on the provided question and answer, generate a comprehensive rubric with multiple evaluation criteria. Each criterion should be:
    1. **Specific and Measurable**: Clearly define what constitutes meeting or not meeting the criterion
    2. **Binary Evaluable**: Can be assessed as true/false by an LLM evaluator
    3. **Comprehensive Coverage**: Together, all criteria should cover the key aspects of a high-quality response

    # Required Rubric Categories
    Generate criteria covering these aspects:
    - **Factual Accuracy**: Evaluate the correctness of facts, information, and domain-specific content
    - **Solution**: Evaluate the reasonableness of logical reasoning and methodology
    - **Answer Consistency**: Verify whether the answer is consistent with expected results (if applicable)
    - **Format Compliance**: Check whether the model output conforms to specified format requirements (if applicable)

    # Output Format
    Return a JSON object with the following structure:
    ‘‘‘json
    {
    "rubrics": [
    {
    "criterion": "The response contains accurate facts and domain-specific content without errors",
    "points": 10
    },
    {
    "criterion": "The response demonstrates clear understanding of underlying principles and relationships",
    "points": 8
    },
    {
    "criterion": "The response uses logical reasoning and appropriate methodology",
    "points": 7
    },
    {
    "criterion": "The response contains factual errors or misinformation",
    "points": -5
    },
    {
    "criterion": "The response is completely off-topic or irrelevant",
    "points": -10
    },
    // ... additional criteria
    ]
    }
    ‘‘‘

    # Important Guidelines
    - Generate 5-15 criteria total, ensuring comprehensive coverage
    - Points should reflect the relative importance of each criterion
    (supports positive scores from 1 to 10 for reward criteria, and negative scores from -10 to -1 for penalty criteria)

    Return only the JSON object without additional commentary.
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      你是一位教育评估和 Rubric 设计专家。你的任务是分析给定的问题-答案对,并生成可用于评估响应质量的综合评估 Rubric

      # 输入数据
      # 问题
      <<question>>
      <<answer>>
      # 任务指令

      基于提供的问题和答案,生成一个包含多个评估标准的综合 Rubric。每个标准应满足:
      1. **具体且可衡量 (Specific and Measurable):** 明确定义满足或不满足标准的内容
      2. **可二元评估 (Binary Evaluate):** 可以由 LLM 评估器评估为真/假
      3. **全面覆盖 (Comprehensive Coverage):** 所有标准共同应涵盖高质量响应的关键方面

      # 必需的 Rubric 类别
      生成涵盖以下方面的标准:
      * **事实准确性 (Factual Accuracy):** 评估事实、信息和领域特定内容的正确性
      * **解决方案 (Solutions):** 评估逻辑推理和方法论的合理性
      * **答案一致性 (Answer Consistency):** 验证答案是否与预期结果一致(如果适用)
      * **格式合规性 (Format Compliance):** 检查模型输出是否符合指定的格式要求(如果适用)

      # 输出格式
      返回一个具有以下结构的 JSON 对象:

      ‘’‘json
      {
      "rubrics": [
      {
      "criterion": "响应包含准确的事实和领域特定内容,没有错误",
      "points": 10
      },
      {
      "criterion": "响应展示了对基本原理和关系的清晰理解",
      "points": 8
      },
      {
      "criterion": "响应使用了逻辑推理和恰当的方法论",
      "points": 7
      },
      {
      "criterion": "响应包含事实错误或误导信息",
      "points": -5
      },
      {
      "criterion": "响应完全离题或不相关",
      "points": -10
      },
      // ... 更多标准
      ]
      }
      ’‘’

      # 重要指南
      - 总共生成 5-15 个标准,确保全面覆盖
      - 分值应反映每个标准的相对重要性(奖励标准支持 1 到 10 的正分,惩罚标准支持 -10 到 -1 的负分)

      仅返回 JSON 对象,不要附加额外的评论。

NLP——LLM对齐微调-Skywork-Reward

注:本文包含 AI 辅助创作

  • 参考链接:
    • 原始论文:(SkyworkReward)Skywork-Reward: Bag of Tricks for Reward Modeling in LLMs

Skywork-Reard Paper Summary

  • 本文对 Reward Model 相关的数据集做了非常详细的分析,对数据的处理流程具有很强的实际参考价值,值得深刻学习
  • Skywork-Reard 特点:数据优先、轻量化、高效率
  • Skywork-Reard 贡献:
    • 包含 80k 条偏好对的高质量数据集 Skywork-Reward Preference 80K
    • 奖励模型 Skywork-Reward-Gemma-2-27B(在 RewardBench 排行榜上排名第一),注意:仅用上述 80K 数据

RM 当前面临的挑战

  • 数据质量低 :开源偏好数据集中,“Chosen”与“Rejected”响应差异过小、标注噪声高、存在 bias(如长度 bias)
  • 数据规模冗余 :现有数据集动辄数十万甚至上百万条,但并未带来相应性能提升
  • 模型复杂度高 :许多研究引入复杂架构或损失函数,但收益有限

核心贡献总结

  • 轻量化数据构建 :仅使用 80k 条偏好对,远小于现有数据集(比如光 Preference 就多达 700K),这个数据集非常火,很多工作都已经引入
  • 精细化的数据筛选策略 :基于模型能力、任务类别、奖励分数等进行多级过滤
  • 详细的损失函数对比实验 :验证 Bradley-Terry loss 在所有变体中表现最优(对后续 RM 的使用提供了很实际的参考)
  • 解决数据污染问题 :识别并移除 RewardBench 中的污染样本,进一步提升模型性能

整体方法详细描述

初始数据:Dataset Mixture

  • Skywork-Reward Preference 80K 由以下四个高质量开源数据集组成(原始总样本约 378K,经过筛选压缩至 80K):
    数据集 来源 规模 特点
    HelpSteer2 ShareGPT + LLM/人工 10K 多维度评分(helpfulness, correctness, coherence, complexity, verbosity)
    OffsetBias 人工构建 8K 抗 bias,尤其对抗长度 bias
    WildGuardMix 合成 + 人工 87K(仅用部分) 安全偏好,拒绝 vs 遵从
    Magpie 系列 Llama 系列自生成 约 350K(筛选后) 完全合成,按任务类别划分,含 ArmoRM 评分
补充: Magpie 方法 & 数据集
  • Mapie 数据集合成策略参见:Magpie: Alignment Data Synthesis from Scratch by Prompting Aligned LLMs with Nothing, 20240617 & 20241007, University of Washington & AI2
  • Magpie 是一种 无需人工标注、无需种子指令、无需复杂提示工程* 的 *大规模对齐数据合成方法
  • Magpie 作者的 核心发现:对齐后的 LLM(如 Llama-3-Instruct)在仅输入模板中用户消息位置之前的“预查询模板” 时,会自动生成一条用户指令
    • 这是由于其自回归生成特性,模型会自然地“补全”对话。
  • Magpie 方法流程:Step 1:指令生成
    • 输入:仅包含模型对话模板中用户消息之前的固定模板部分(例如 Llama-3 的 <|start_header_id|>user<|end_header_id|>)
    • 输出:模型自回归生成一条用户指令
    • 特点:无需人工编写提示词或种子问题
  • Magpie 方法流程: Step 2:响应生成
    • 输入:将生成的指令放入完整对话模板中
    • 输出:模型生成对应的助手回复
    • 完成:形成一条完整的“指令-响应”对齐数据
  • 特别设计:
    • 使用不同模型来生成:指令 和 响应,扩展多样性

数据筛选与过滤策略(核心创新 从 378K 到 80K 的过滤逻辑)

  • 理解:本文中,数据筛选与过滤策略 是整个研究的核心贡献 ,也是其能够用 80K小数据集击败700K大数据集的根本原因
  • 原始数据集混合物(Preference 378K)的核心问题:
    • Magpie占比过高(93%) :其他高质量小数据集的信号被稀释
    • Magpie 数据集的合成方式:使用 Llama 3 家族中不同规模的模型来生成数据集
      • 传统合成数据生成通常是:人类写prompt + LLM生成response + 人类/模型打分 + 构建偏好对
      • Magpie 的合成策略:只给一个固定前缀,让 LLM 同时扮演“用户”和“助手”两个角色,全自动生成完整的对话对
    • Magpie 内部质量不均 :不同模型生成、不同任务类别、不同评分分布
    • WildGuardMix 存在副作用 :过度强化安全会损害通用偏好能力
  • 过滤目标
    • 降量 :从 378K 压缩至 80K(压缩比 78%)
    • 提质 :优先保留高质量、高信息密度的偏好对
    • 平衡 :维持任务多样性、安全与通用能力的平衡

Magpie 子集的精细化筛选(核心)

  • 整体流程如下:
    • Step 1: 分数提取
      • 输入为 原始偏好对,输出为 带 PairScore 的样本
      • 核心逻辑: (chosen_score + rejected_score)/2
    • Step 2: 分数校正
      • 输入为 PairScore,输出为 校正后 PairScore
      • 核心逻辑: Air -0.1, Pro3 -0.05, 其他不变
    • Step 3: 类别识别
      • 输入为 全量样本,输出为 按任务类别分组
      • 核心逻辑: 区分 Math/Code 与其他
    • Step 4: 类别内排序
      • 输入为 各组样本,输出为 各组头部样本
      • 核心逻辑: Math/Code: top30%, 其他: top10%
    • Step 5: 跨子集合并
      • 输入为 四子集头部样本,输出为 ~59.5K筛选后样本
      • 核心逻辑: 保留原始子集标签
    • Step 6: 最终集成
      • 输入为 Magpie筛选结果,输出为 Skywork-Reward 80K
      • 核心逻辑: + HelpSteer2 + OffsetBias + WildGuardMix
  • 核心思路:不是“全局择优”,而是“类别保底、核心强化、偏差校正”的三位一体筛选策略
Magpie 子集-打分修正原理:按生成模型能力优先
  • 问题诊断:ArmoRM 评分存在模型规模反向偏差 :
    • Llama 3 8B Instruct(Air 子集):得分虚高
    • Llama 3 70B Instruct(Pro 子集): 得分偏低
    • Llama 3.1 70B Instruct(Pro 子集): 得分偏低
    • 理解:在 Magpie 数据集中, Air 子集是 Llama 4 8B Instruct 生成的,却分数虚高于其他子集(如 70B)
  • 解决方案:启发式分数校正 ,引入基于先验知识的分数平移 :
    $$
    \text{Score}_{\text{adjusted} } =
    \begin{cases}
    \text{Score}_{\text{original} } - 0.10, & \text{if subset = Air (8B)} \\
    \text{Score}_{\text{original} } - 0.05, & \text{if subset = Pro (Llama 3 70B)} \\
    \text{Score}_{\text{original} }, & \text{if subset = Pro (Llama 3.1 70B)}
    \end{cases}
    $$
  • 校正逻辑理解:
    • 减0.10 :Air子集虚高最严重,强力下调
    • 减0.05 :Llama 3 70B 也存在一定虚高,适度下调
    • 不减 :Llama 3.1 70B 作为最强模型,作为基准
  • 校正后,三个子集的分数分布峰值与模型能力排序对齐(Figure 2)
Magpie 子集-分任务采样:按任务类别差异化采样
  • 核心洞察:
    • Math 和 Code 是 RLHF 最难优化的能力,也是奖励模型最需要强化的领域
      • 注:后来有了 RLVR 了
    • 其他任务(如创意写作、角色扮演)的边际收益较低
  • 采样策略
    • 数学 & 代码类别 :保留比例:前30%
      • 依据:校正后的 ArmoRM 分数
      • 目的:只保留最高质量的数学/代码偏好对
    • 其他类别(Reasoning、Planning、Brainstorming、Creative writing等): 保留比例:前10%
      • 依据:校正后的 ArmoRM 分数
      • 目的:维持任务多样性,但严格控制冗余样本
  • 问题:为什么不直接取全局top%?
    • 这是关键设计智慧 :
      • 如果全局取 top 30%,结果会严重偏向数学和代码(因为它们本身就占 Magpie 的大头)
      • 按类别独立采样,可以在压缩总量的同时,维持任务分布的多样性
  • 最终结果(Figure 3):
    • 数学 + 代码:占总筛选后样本的 63.57%
    • 其他7个类别合计:36.43%
    • 既强化了核心能力,又保留了多任务泛化性
Magpie 子集-(Chosen+Rejected)/2打分依据:基于评分差异的隐式筛选
  • (Chosen+Rejected)/2 的本质,是在测量“这个prompt下,模型能稳定产出高质量response的程度
  • 未显式说明,但实际存在的机制 :
    • 在 Magpie 的原始构建中,每个 prompt 生成 5 个 response,ArmoRM 打分后:
      • Chosen = 最高分response
      • Rejected = 最低分response
  • 将chosen score和rejected score的平均值作为该偏好对的整体质量分
  • 这意味着得到的是两种样本:
    • 1)如果 5 个 response 质量都很接近,那么 chosen 和 rejected 分差小,即平均分可能不低,学习难度大
      • 理解:这属于困难样本
    • 2)如果 5 个 response 质量差异大,即分差大,那么平均分更能代表高质量 chosen 的存在
      • 理解:这属于高质量样本(强调 Chosen 的正确性?)
  • 虽然没有直接按分差过滤,但高分差样本天然更容易进入 top 30% ,因为 chosen 的高分拉高了平均值

WildGuardMix 对抗性筛选(安全)

WildGuardMix 数据构建逻辑
  • WildGuardMix 原始结构:
    • 每个 prompt 带多个 response
    • 每个 response 标注:
      • 是否拒绝(refusal)
      • prompt 是否有害
    • 偏好构造规则为 :
      Prompt 类型 Chosen response Rejected response
      有害(harmful) 拒绝回答 遵从回答
      无害(benign) 遵从回答 拒绝回答
WildGuardMix 第一阶段:移除非对抗样本
  • 背景:
    • 早期版本的 Skywork-Reward 模型已经在非对抗的 WildGuardMix 样本上表现极好(准确率 > 95%)
    • 继续训练这些样本 边际收益接近 0
  • 操作 :
    • 移除非对抗子集
    • 仅保留对抗子集(Adversarial subset)
  • 对抗子集的来源 :
    • 基于 WildTeaming框架 生成
    • 从良性/有害 prompt 出发,自动化生成越狱攻击变体
    • 模拟真实世界中用户绕过安全护栏的尝试
WildGuardMix 第二阶段:控制对抗样本比例
  • 新问题出现 :
    • 仅用对抗子集 + 其他数据集训练 得到 模型安全能力提升 ,但通用偏好能力下降
    • 内部验证集上观察到明显 trade-off
  • 根本原因 :
    • 对抗样本的分布与正常用户请求差异较大
    • 过度拟合对抗模式会扭曲奖励模型的 核心偏好表征
  • 解决方案 :
    • 仅保留部分高质量、代表性强的对抗偏好对
    • 具体比例未公开,但策略方向明确:在不牺牲通用能力的前提下,注入安全偏好

HelpSteer2 与 OffsetBasis 的处理

HelpSteer2
  • HelpSteer2 论文自己的原始筛选逻辑:
    • HelpSteer2 为每个 response 标注 5 个维度的分数:
      • helpfulness, correctness, coherence, complexity, verbosity
    • 偏好构造 :只保留那些 chosen response 的 helpfulness分数 > rejected response 的 helpfulness 分数 的样本
  • 对于 HelpSteer2 数据集的处理:
    • 不做额外过滤,完整纳入 10K 样本
    • 原因:HelpSteer2 已经是人工+LLM混合标注的高质量小数据集 ,本身噪声低、信息密度高
OffsetBias
  • 原始设计目的 :
    • 专门针对奖励模型的长度 bias 、格式 bias 等伪相关信号
    • 构造对抗性偏好对 :rejected response 看起来写得很完整,但包含特定错误
  • 对于 OffsetBias 数据集的处理 :
    • 完整纳入 8K 样本
    • 原因:OffsetBias本身就是抗bias的“解毒剂” ,规模小但价值高

训练目标与损失函数实验

基础损失函数

  • 使用 Bradley-Terry 模型 :
    $$
    \mathcal{L}_{\mathrm{ranking} } = -\log \sigma (r_\theta (x,y_c) - r_\theta (x,y_r))
    $$
    • \( r_\theta(x, y) \) 是奖励模型对响应 \( y \) 的标量输出
    • \( \sigma \) 是 sigmoid 函数

实验的损失函数变体(作者系统对比了以下 6 种变体)

  • 变体1 Focal Loss :关注难分样本
    $$
    \mathcal{L}_{\mathrm{Focal} } = -\log \sigma(\Delta) \cdot (1 - \sigma(\Delta))^\gamma
    $$
  • 变体2 Focal Loss with Penalty :
    • 进一步惩罚模糊判断
  • 变体3 Hinge Loss :
    • 强制 margin (非下面的 margin)
      $$
      \mathcal{L}_{\mathrm{Hinge} } = \max(0, m - \Delta)
      $$
  • 变体4 Margin MSE :回归到 margin
    $$
    \mathcal{L}_{\mathrm{Margin-MSE} } = (r_\theta(x,y_c) - (r_\theta(x,y_r) + m))^2
    $$
  • 变体5 Cross-Entropy :
    • 作为二分类任务
  • 变体6 BT with Tempered Log / Temperature :
    • 修改对数曲率或分布平滑度
  • 最总实验 结论 :
    • Bradley-Terry loss 在所有任务类别上表现最均衡
    • 其他变体在某些类别有提升,但牺牲了整体性能(见表 3)

实验设计与结果分析

训练设置

  • 基座模型:Llama-3.1-8B-Instruct、Gemma-2-27B-it
  • 替换最后一层为 reward head,随机初始化
  • 优化器:AdamW,weight decay 1e-3
  • 学习率:2e-6(8B)、1e-6(27B)
  • 训练轮数:2 epochs
  • 全局 batch size:128

主要实验结果(表 2)

  • Skywork-Reward-Gemma-2-27B :RewardBench 总分第一
  • Skywork-Reward-Llama-3.1-8B :超越除 70B 外的所有模型
  • Chat Hard 类别 :27B 模型首次突破 90 分,远超 Nemotron-4-340B-Reward
  • 关键结论 : 小数据、高质量 > 大数据、低质量
    • 378K 未筛选数据已优于 700K 数据集
    • 80K 筛选数据进一步显著提升

数据污染问题与去污染实验

问题发现:
  • Magpie Ultra 子集中约 5K prompt 与 RewardBench 测试集重叠
  • 推测原因:Llama-3.1-405B 训练数据中可能包含这些 prompt
解决方案:
  • 使用 RewardBench 官方去污染脚本,移除 n-gram 匹配样本
  • 发布 Skywork-Reward Preference 80K v0.2
意外发现:
  • 去污染后模型性能不降反升(表 5)
  • 推测:污染的样本可能与 RewardBench 的偏好不一致 ,移除后反而提升泛化能力

核心观点总结

  • 观点 1:数据质量远重要于数量
    • 80K 精心筛选样本 > 378K 原始样本 > 700K 混合样本
  • 观点 2:Bradley-Terry loss 是最稳健的训练目标
  • 观点 3:模型能力与评分工具可能存在分布偏移 ,需手动校正
  • 观点 4:数据污染普遍存在,需系统性检测与移除
  • 观点 5:实践建议
    • 优先使用 HelpSteer2、OffsetBias 等高质量小数据集
    • 对合成数据按生成模型能力和任务类别进行分级采样
    • 避免盲目使用复杂损失函数
    • 奖励模型训练前必须进行 contamination check

补充:ArmoRM

  • 原始论文:(ArmoRM)Interpretable Preferences via Multi-Objective Reward Modeling and Mixture-of-Experts, 20240618, University of Illinois Urbana-Champaign
  • 开源模型 & 代码 :github.com/RLHFlow/RLHF-Reward-Modeling
  • for 传统 RM 在 RLHF 中存在的黑箱性、不可解释性、易受奖励黑客攻击等问题,论文提出了一种可解释、可调控的多目标奖励建模方法

背景:RLHF RM 现有问题

  • 黑箱性 :传统 RM 输出单一标量分数,无法解释为何某回复更优
  • 奖励黑客 :模型学会利用RM的漏洞(如生成长回复以获得高分)
  • 不可调控 :无法根据用户需求或上下文动态调整评分标准

解决方案概述

  • 提出多目标奖励模型(ArmoRM) ,使用绝对评分数据进行回归训练,输出多个可解释维度的评分
  • 提出基于Mixture-of-Experts(MoE)的门控机制 ,根据上下文动态加权各目标,生成最终标量分数
  • 在 RewardBench 上取得 SOTA ,超越 GPT-4 作为 Judge 的方法,逼近 Nemotron-4 340B 的性能

ArmoRM 方法详解(重点)

多目标奖励建模(Multi-Objective Reward Modeling)
  • 目标:训练一个模型,为每个回复输出多个可解释维度的评分(如帮助性、诚实性、安全性、冗长度等)
  • 输入输出:
    • 输入:\( x \oplus y \)(提示+回复的拼接)
    • 输出:\( k \)-维评分向量 \( r \in \mathbb{R}^k \)
  • 模型架构:
    • 使用 Llama-3 8B 作为特征提取器 \( f_\theta \)
    • 在最后一层接一个线性层 \( w \in \mathbb{R}^{d \times k} \),输出多目标评分
    • 训练目标为回归损失(均方误差):
      $$
      \min_{\theta, w} \mathbb{E}_{x,y,r \in D} | w^\top f_\theta(x \oplus y) - r |_2^2
      $$
  • 数据特点:
    • 使用 8 个数据集,共 19 个目标维度
    • 不同数据集评分尺度不同,统一线性归一化到 \([0,1]\)
    • 缺失目标维度在损失计算中被忽略
基于 MoE 的目标加权机制(MoE Scalarization)
  • 动机:不同上下文(如数学问题 vs. 安全敏感问题)对不同目标维度的重视程度不同,固定权重不灵活
MoE Scalarization 方法流程:
  • 1. 提取提示特征 :使用冻结的 \( f_\theta \) 提取提示 \( x \) 的特征 \( f_\theta(x) \)
  • 2. 门控网络 :一个浅层MLP \( g_\phi \) 将提示特征映射为 \( k \)-维权重向量,经Softmax归一化(非负且和为1)
    $$
    g_\phi(f_\theta(x)) \in \Delta^{k-1}
    $$
  • 3. 去偏处理(Verbosity Bias Removal) :
    • 每个目标评分减去冗长度评分的加权项:
      $$
      r_i’ \gets r_i - \lambda_i r_{\text{verbose} }
      $$
    • 选择 \( \lambda_i \) 使得调整后的评分与冗长度评分在参考数据集上的Spearman相关系数为0;
  • 4. 最终标量分数 :
    $$
    R = g_\phi(f_\theta(x))^\top r’
    $$
  • 5. 训练门控网络 :
    • 冻结 \( f_\theta \) 与 \( w \);
    • 仅训练 \( g_\phi \) 与一个缩放因子 \( \beta \);
    • 使用 Bradley-Terry 损失:
      $$
      \min_{\phi, \beta} \mathbb{E} \left[ -\log \frac{\exp(\beta R_{\text{chosen} })}{\exp(\beta R_{\text{chosen} }) + \exp(\beta R_{\text{rejected} })} \right]
      $$

ArmoRM 实验设置与结果

实验环境
  • 硬件 :CPU 训练线性层,单张 A6000 训练门控网络;
  • 超参数 :门控网络为 3 层 ReLU MLP(1024 hidden units),lr=0.001,batch=1024,steps=10000;
  • 评估基准 :RewardBench(4主类+1先验类,权重1.0/0.5)
主要结果(原论文表1)
  • 训练结果:
    方法 参数量 总体得分
    Nemotron-4 340B RM 340B 89.3
    ArmoRM + MoE (Ours) 8B 89.0
    GPT-4 Turbo(as judge) - 84.2
    Llama-3 8B BT RM 8B 83.6
  • 超越 Llama-3 8B BT RM ,验证了多目标+MoE的有效性
  • 超越 GPT-4 Judge ,表明可作为低成本替代
  • 逼近 340B 模型 ,展现方法的高效性

NLP——LLM对齐微调-VAPO

注:本文包含 AI 辅助创作

  • 参考链接:
    • VAPO: Efficient and Reliable Reinforcement Learning for Advanced Reasoning Tasks, arXiv 20250411, ByteDance Seed

Paper Summary

  • 整体说明:
    • 论文提出 VAPO(Value-model-based Augmented Proximal Policy Optimization) 框架/算法,利用 Qwen2.5-32B 模型在 AIME24 基准上实现了 SOTA 性能
    • VAPO 通过在 PPO 之上引入七项新技术(包含 VC-PPO 和 DAPO 相关的优化),这些技术专注于改进价值学习和平衡探索,论文的基于 Value Model 的方法优于当代 value-model-free 方法,如 GRPO 和 DAPO
    • 评价:论文更偏实践,很多优化点是来自已有的工作,如 VC-PPO 和 DAPO 等
  • VAPO 是一种专为 value-model-based paradigm 的推理模型量身定制的框架
  • 在 AIME 2024 数据集上进行基准测试时,基于 Qwen 32B 预训练模型构建的 VAPO 取得了 60.4 的 SOTA 性能
  • 在相同的实验设置下直接比较,VAPO 比 DeepSeek-R1-Zero-Qwen-32B 和 DAPO 的结果高出 10分 以上
  • VAPO 的训练过程稳定且高效:
    • 仅在 5,000 步内就达到了 SOTA 性能;
    • 在多次独立运行中,没有发生训练崩溃
  • 本研究使用 Value-model-based 强化学习框架深入研究长思维链(long-CoT)推理
  • 论文指出了困扰 Value-model-based 方法的三个关键挑战:
    • Value Model 偏差(value model bias)
    • 存在异质序列长度(the presence of heterogeneous sequence lengths)
    • 奖励信号稀疏 (the sparsity of reward signals)
  • 通过系统设计,VAPO 提供了一个集成解决方案,有效地缓解了这些挑战,从而在 long-CoT 推理任务中实现了性能提升

Introduction and Discussion

  • 诸如 OpenAI o1 和 DeepSeek R1 等推理模型在数学推理等复杂任务中表现出卓越性能,这些任务需要在测试时通过长思维链(long-CoT)进行逐步分析和问题解决,从而极大地推动了人工智能的发展
  • RL 在这些模型的成功中起着关键作用。它通过在可验证问题上不断探索通向正确答案的推理路径,逐步提高模型的性能,实现了前所未有的推理能力
  • 在 LLM 的 RL 训练中,像 GRPO 和 DAPO 这样的 value-model-free 方法已证明具有显著效果
    • 这些方法消除了学习 Value Model 的计算开销,而是仅基于整个轨迹的最终奖励来计算优势
    • Trajectory-level 优势被直接分配为序列中每个位置的 Token-level 优势
    • 当训练可靠的 Value Model 特别具有挑战性时, value-model-free 方法通过对一组内的多个轨迹的奖励进行平均,为优势计算提供了准确且稳定的基线
    • 这种基于组的奖励聚合减轻了对显式价值估计的需求,而显式价值估计在复杂任务中往往不稳定
    • 因此, value-model-free 方法在解决 long-CoT 推理等难题方面获得了显著关注,大量研究工作致力于优化其框架
  • 尽管 value-model-free 方法取得了显著成功,但作者认为,如果能够解决 Value Model 训练中的挑战,基于 Value Model 的方法具有更高的性能上限
    • 首先, Value Model 通过准确追踪每个动作对后续回报的影响 ,实现更精确的信用分配 ,从而促进更精细的优化
      • 这对于复杂推理任务尤为关键 ,在这些任务中,单个步骤的细微错误往往会导致灾难性失败,而在value-model-free 框架下进行模型优化仍然具有挑战性
    • 其次,与 value-model-free 方法中从蒙特卡罗方法得出的优势估计不同, Value Model 可以为每个 Token 提供方差更低的价值估计,从而增强训练稳定性
    • 此外,训练良好的 Value Model 表现出固有的泛化能力,能够更有效地利用在线探索过程中遇到的样本。这显著提升了强化学习算法的优化上限
      • 问题:这一点有点牵强吧,不一定需要 Value 模型啊
    • 因此,尽管在复杂问题中训练 Value Model 面临巨大挑战,但克服这些困难的潜在收益是巨大的
  • 然而,在 long-CoT 任务中训练完美的 Value Model 存在重大挑战
    • 首先,鉴于长轨迹和以自举方式学习价值的不稳定性,学习低偏差的 Value Model 并非易事
    • 其次,同时处理短响应和长响应也具有挑战性,因为它们在优化过程中可能对偏差-方差权衡表现出截然不同的偏好
    • 最后,验证器的奖励信号的稀疏性因 long-CoT 模式而进一步加剧,这本质上需要更好的机制来平衡探索和利用
  • 为了应对上述挑战并充分释放基于 Value Model 的方法在推理任务中的潜力,论文提出了 VAPO(Value-model-based Augmented Proximal Policy Optimization)
    • 这是一个基于 Value Model 的RL训练框架
    • VAPO 从 VC-PPO 和 DAPO 等先前研究工作中汲取灵感,并进一步扩展了它们的概念
  • 论文总结了论文的主要贡献如下:
    • 1)论文引入了VAPO,这是第一个在 long-CoT 任务上显著优于 value-model-free 方法的基于 Value Model 的RL训练框架
      • VAPO不仅在性能方面表现出显著优势,还展示了增强的训练效率,简化了学习过程,并强调了其作为该领域新基准的潜力
    • 2)论文提出了长度自适应广义优势估计(Length-adaptive GAE),它基于响应长度在GAE计算中自适应调整 \(\lambda\) 参数
      • 这种做法有效地满足了与高度可变长度的响应相关的不同偏差-方差权衡要求
      • 结果显示,优化了优势估计过程的准确性和稳定性(特别是在数据序列长度变化很大的场景中)
    • 3)论文系统地整合了先前工作中的技术(论文还通过消融研究进一步验证了它们的必要性),如:
      • DAPO 的 Clip-Higher 和 Token-level Loss
      • VC-PPO 的 Value-Pretraining 和 Decoupled-GAE
      • SIL 的自我模仿学习(self-imitation learning)
      • GRPO 的 Group-Sampling
  • VAPO是一个有效的强化学习系统,它汇集了这些改进
    • 这些增强功能协同工作,产生的综合结果优于各个部分的总和
    • 论文使用 Qwen2.5-32B 预训练模型进行实验,确保在任何实验中都不引入 SFT 数据,以保持与相关工作(DAPO 和 DeepSeek-R1-Zero-Qwen-32B)的可比性
    • VAPO的性能从原始 PPO 的 5分 提高到 60分,超过了之前的最先进 value-model-free 方法 DAPO(+10分)
    • 特别地,VAPO 非常稳定(论文在训练期间没有观察到任何崩溃,并且多次运行的结果始终相似)

Preliminaries

  • 本节将介绍论文提出算法的基础概念和符号表示
  • 论文首先探讨如何将语言生成任务建模为强化学习问题,随后介绍近端策略优化(Proximal Policy Optimization, PPO)和广义优势估计(Generalized Advantage Estimation, GAE)

将语言生成建模为 Token-level 的马尔可夫决策过程

  • 强化学习的核心是学习一种策略,使得智能体在与环境交互时能够最大化累积奖励
  • 在本研究中,论文将语言生成任务建模为马尔可夫决策过程(Markov Decision Process, MDP)(1998)
  • 设输入的 Prompt为 \( x \),生成的Response为 \( y \)
    • 两者均可分解为一系列 token 的序列
    • 例如: Prompt \( x \) 可表示为 \( x = (x_0, \ldots, x_m) \),其中 token 来自固定的离散词汇表 \( \mathcal{A} \)
  • 论文将 Token-level 的 MDP 定义为元组 \( \mathcal{M} = (\mathcal{S}, \mathcal{A}, \mathbb{P}, R, d_0, \omega) \),各组成部分的详细说明如下:
    • 状态空间(State Space, \( \mathcal{S} \)) :该空间包含所有可能的状态,每个状态由当前已生成的 token 序列构成。在时间步 \( t \),状态 \( s_t \) 定义为 \( s_t = (x_0, \ldots, x_m, y_0, \ldots, y_t) \)
    • 动作空间(Action Space, \( \mathcal{A} \)) :对应固定的离散词汇表,生成过程中从中选择 token 作为动作
    • 状态转移(Dynamics, \( \mathbb{P} \)) :表示 token 之间的确定性转移模型。给定状态 \( s_t = (x_0, \ldots, x_m, y_0, \ldots, y_t) \)、动作 \( a = y_{t+1} \) 和下一状态 \( s_{t+1} = (x_0, \ldots, x_m, y_0, \ldots, y_t, y_{t+1}) \),转移概率 \( \mathbb{P}(s_{t+1}|s_t, a) = 1 \)
    • 终止条件(Termination Condition) :当执行终止动作 \( \omega \)(通常是句子结束 token)时,语言生成过程结束
    • 奖励函数(Reward Function, \( R(s, a) \)) :该函数提供标量反馈,用于评估智能体在状态 \( s \) 下执行动作 \( a \) 的表现。在RLHF (2022) 中,奖励函数可以从人类偏好中学习,或根据任务规则定义
    • 初始状态分布(Initial State Distribution, \( d_0 \)) :是 Prompt \( x \) 的概率分布。初始状态 \( s_0 \) 由 Prompt \( x \) 的 token 序列构成

RLHF 目标

  • 论文将优化问题建模为带 KL 散度正则化的强化学习任务。目标是逼近最优的 KL 正则化策略,其数学表示为:
    $$
    \pi^* = \arg \max_{\pi} \mathbb{E}_{\pi, s_0 \sim d_0} \left[ \sum_{t=0}^{H} \left( R(s_t, a_t) - \beta \text{KL} \left( \pi(\cdot|s_t) | \pi_{\text{ref} }(\cdot|s_t) \right) \right) \right]
    $$
    • \( H \) 表示决策步的总数
    • \( s_0 \) 是从数据集中采样的 Prompt
    • \( R(s_t, a_t) \) 是从奖励函数中获得的 Token-level 奖励
    • \( \beta \) 是控制 KL 正则化强度的系数
    • \( \pi_{\text{ref} } \) 是初始策略
  • 在传统的 RLHF 和大多数 LLM 相关任务中,奖励是稀疏的,仅在终止动作 \( \omega \)(即句子结束 token <eos>)时分配

PPO

  • PPO (2017) 使用带裁剪的替代目标函数来更新策略。其核心思想是限制每一步策略更新的幅度,避免因策略变化过大而导致训练不稳定
  • 设 \( \pi_\theta(a|s) \) 为参数化策略,\( \pi_{\theta_{\text{old} } }(a|s) \) 为上一轮迭代的旧策略。PPO 的替代目标函数定义为:
    $$
    \mathcal{L}^{CLIP}(\theta) = \hat{\mathbb{E} }_t \left[ \min \left( r_t(\theta) \hat{A}_t, \text{clip}(r_t(\theta), 1-\epsilon, 1+\epsilon) \hat{A}_t \right) \right]
    $$
    • \( r_t(\theta) = \frac{\pi_\theta(a_t|s_t)}{\pi_{\theta_{\text{old} } }(a_t|s_t)} \) 是概率比
    • \( \hat{A}_t \) 是时间步 \( t \) 的优势估计
    • \( \epsilon \) 是控制裁剪范围的超参数
  • 广义优势估计 (GAE) 是一种用于在 PPO 中更准确估计优势函数的技术
    • 它结合多步自举(bootstrapping)来降低优势估计的方差
  • 对于长度为 \( T \) 的轨迹,时间步 \( t \) 的优势估计 \( \hat{A}_t \) 计算如下:
    $$
    \hat{A}_t = \sum_{l=0}^{T-t-1} (\gamma \lambda)^l \delta_{t+l}
    $$
    • \( \gamma \) 是折扣因子
    • \( \lambda \in [0,1] \) 是 GAE 参数
    • \( \delta_t = R(s_t, a_t) + \gamma V(s_{t+1}) - V(s_t) \) 是时序差分(Temporal-Difference, TD)误差
    • 这里 \( R(s_t, a_t) \) 是时间步 \( t \) 的奖励,\( V(s) \) 是价值函数
  • 注:在 RLHF 中通常设置折扣因子 \( \gamma = 1.0 \),为简化表示,论文后续章节将省略 \( \gamma \)

long-CoT RL推理任务中的挑战

  • long-CoT 任务给 RL 训练带来了独特的挑战,特别是对于采用 Value Model 来减少方差的方法
  • 在本节中,论文系统地分析了由序列长度动态、价值函数不稳定性和奖励稀疏性引起的技术问题

Value Model Bias over Long Sequences(长序列上的 Value Model 偏差)

  • 如 VC-PPO 中所指出的,用奖励模型初始化 Value Model 会引入显著的初始化偏差
    • 这种正偏差源于两个模型之间的目标不匹配
    • 奖励模型被训练为在<eos> Token 上评分,这促使它由于上下文不完整而给早期 Token 分配较低的分数
      • 注:Value Model 估计在给定策略下所有先于<eos>的 Token 的预期累积奖励
    • 在训练的早期阶段,鉴于 GAE 的反向计算,每个时间步t都会存在正偏差,该偏差沿轨迹累积
  • 另一个使用 \(\lambda=0.95\) 的 GAE 的标准做法可能会加剧这个问题
    • 终止 Token 处的奖励信号 \(R(s_{T},<eos>)\) 作为 \(\lambda^{T-t} R(s_{T},<eos>)\) 反向传播到第 \(t\) 个 Token
    • 对于 \(T-t \gg 1\) 的长序列,这种折扣将有效奖励信号降低到接近零
      • 理解:最准确的那个值(最后一个 Token 输出)反而被赋予了很小的权重
    • 因此,价值更新几乎完全以自举方式进行,依赖于高度偏差的估计,这削弱了 Value Model 作为可靠方差减少基线的作用

Heterogeneous Sequence Lengths during Training(异质序列长度)

  • 在 long-CoT 对得出正确答案至关重要的复杂推理任务中,模型通常会生成长度高度可变的响应
  • 这种可变性要求算法足够稳健,能够管理从非常短到极长的序列。因此,具有固定 \(\lambda\) 参数的常用 GAE 方法面临重大挑战
    • 即使 Value Model 是完美的,静态 \(\lambda\) 可能无法有效适应不同长度的序列
    • 对于短长度的响应,通过 GAE 获得的估计往往具有高方差:
      • GAE 代表了偏差和方差之间的权衡:在短响应的情况下,估计偏向于方差主导的一侧(理解:方差较大的一侧)
      • 理解:短的响应中,对每个 Token 来说,需要预估的未来 Token 不多,更像是蒙特卡罗采样得到的?
    • 另一方面,对于长长度的响应,GAE 由于自举而往往导致高偏差
      • GAE 的递归性质依赖于未来状态值,在长序列上累积误差,加剧了偏差问题
  • 这些限制深深植根于 GAE 计算框架的指数衰减性质

Sparsity of Reward Signal in Verifier-based Tasks(奖励信号的稀疏性)

  • 复杂推理任务经常部署验证器作为奖励模型,基于验证器的奖励模型通常提供二进制反馈
    • 这与提供密集信号(如-4到4的连续值)的传统基于语言模型的奖励模型不同,如 0 和 1
    • 理解:其实传统 RL 中很多也是二值反馈,这没什么大不了的
  • long-CoT 推理进一步加剧了奖励信号的稀疏性
    • 由于CoT显著延长了输出长度,它不仅增加了计算时间,还减少了接收非零奖励的频率
    • 在策略优化中,具有正确答案的采样响应可能极其稀缺和宝贵
  • 这种情况提出了一个独特的探索-利用困境
    • 一方面,模型必须保持相对较高的不确定性 ,使其能够采样多样化的响应范围,增加为给定 Prompt 生成正确答案的可能性
    • 另一方面,算法需要有效地利用通过艰苦探索获得的正确采样响应 ,以提高学习效率
  • 如果不能在探索和利用之间取得适当的平衡,模型可能会因过度利用而陷入次优解,或者在无成效的探索上浪费计算资源

VAPO:Addressing the Challenges in Long-CoT RL

Mitigating Value Model Bias over Long Sequences(缓解长序列上的 Value Model 偏差)

  • 基于原文 3.1节 中对基于 Value Model 的模型的分析,论文提出使用 Value-Pretraining 和 decoupled-GAE 来解决长序列上 Value Model 偏差的关键挑战
    • 注:这两种技术都借鉴了 VC-PPO 中先前引入的方法
  • Value-Pretraining 旨在缓解价值初始化偏差
    • 将 PPO 应用于 long-CoT 任务会导致失败,例如输出长度崩溃和性能下降:
      • 原因是 Value Model 从奖励模型初始化,而奖励模型与 Value Model 的目标不匹配
    • 这种现象首先在 VC-PPO 中被识别和解决,在论文中,论文遵循Value-Pretraining技术,具体步骤如下:
      • 1)通过从固定策略(例如 \(\pi_{sft}\) )采样连续生成响应,并使用蒙特卡罗回报更新 Value Model
      • 2)训练 Value Model,直到关键训练指标(包括价值损失和解释方差)达到足够低的值
      • 3)保存价值检查点,并加载此检查点用于后续实验
  • Decoupled-GAE 在 VC-PPO 中被证明是有效的
    • 该技术将价值和策略的优势计算解耦(主要是使用不同的 \(\lambda\))
    • 对于价值更新,建议使用 \(\lambda=1.0\) 计算价值更新目标
      • 这种选择导致无偏梯度下降优化,有效解决了 long-CoT 任务中的奖励衰减问题
    • 对于策略更新,在计算和时间限制下,使用较小的 \(\lambda\) 来加速策略收敛
      • 问题:为什么较小的 \(\lambda\) 能加速策略收敛?
    • 在 VC-PPO 中,这是通过在优势计算中使用不同的系数来实现的:
      • \(\lambda_{critic}=1.0\) 和 \(\lambda_{policy}=0.95\)
      • 在论文中,论文采用了 Decoupled-GAE 计算的核心思想

Managing Heterogeneous Sequence Lengths during Training

  • 为了应对训练中异构序列长度的挑战,论文提出了 长度自适应广义优势估计(Length-Adaptive GAE)
    • 该方法根据序列长度动态调整 GAE 参数,从而实现对不同长度序列的自适应优势估计
    • 此外,为了增强混合长度序列的训练稳定性,论文将传统的样本级策略梯度损失替换为 Token-Level 策略梯度损失(Token-Level Policy Gradient Loss)
  • Length-Adaptive GAE :专门用于解决不同长度序列对 \(\lambda_{\text{policy} }\) 最优值的需求不一致问题
    • 在 VC-PPO (2025) 中,\(\lambda_{\text{policy} }\) 被固定为 0.95。但对于长度 \(l > 100\) 的长序列,奖励对应的 TD 误差系数为 \(0.95^{100} \approx 0.006\),实际上接近于零
      • 这里的 \(\lambda\) 是 GAE 计算公式中的超参,详情见 VC-PPO 论文:(VC-PPO)What’s Behind PPO’s Collapse in Long-CoT? Value Optimization Holds the Secret, Seed, arXiv 20250303
    • 因此,固定 \(\lambda_{\text{policy} }=0.95\) 会导致 GAE 计算被潜在的有偏自举 TD 误差主导,无法有效处理极长序列
    • 为了解决这一问题,论文提出以下公式动态调整 \(\lambda_{\text{policy} }\):
      $$
      \sum_{t=0}^{\infty}\lambda_{\text{policy} }^{t} \approx \frac{1}{1-\lambda_{\text{policy} } } = \alpha l,
      $$
      • 其中 \(\alpha\) 是控制偏差-方差权衡的超参数
    • 通过求解上式,论文得到长度自适应的 \(\lambda_{\text{policy} }\) 公式:
      $$
      \lambda_{\text{policy} } = 1 - \frac{1}{\alpha l}
      $$
    • 这种方法使得 GAE 计算能够更均匀地分配 TD 误差,从而优化长短序列的处理效果
  • Token-Level Policy Gradient Loss :参考 DAPO (2025),论文修改了策略梯度损失的计算方法,以调整长思维链场景中的损失权重分配。传统实现中,策略梯度损失的计算如下:
    $$
    \mathcal{L}_{\text{PPO} }(\theta) = -\frac{1}{G}\sum_{i=1}^{G}\frac{1}{|o_{i}|}\sum_{t=1}^{|o_{i}|}\min\left(r_{i,t}(\theta)\hat{A}_{i,t},\text{clip}\left(r_{i,t}(\theta),1-\varepsilon,1+\varepsilon\right)\hat{A}_{i,t}\right),
    $$
    • 其中 \(G\) 是训练批次大小,\(o_{i}\) 是第 \(i\) 个样本的轨迹
    • 这种损失计算方式会导致长序列中的 Token 对最终损失的贡献被稀释,从而可能引发训练不稳定甚至崩溃
    • 为了解决这一问题,论文将损失函数修正为以下形式:
      $$
      \mathcal{L}_{\text{PPO} }(\theta) = -\frac{1}{\sum_{i=1}^{G}|o_{i}|}\sum_{i=1}^{G}\sum_{t=1}^{|o_{i}|}\min\left(r_{i,t}(\theta)\hat{A}_{i,t},\text{clip}\left(r_{i,t}(\theta),1-\varepsilon,1+\varepsilon\right)\hat{A}_{i,t}\right),
      $$
    • 通过为批次中的所有 Token 分配均匀权重,模型能够更高效地处理长序列问题

Dealing with Sparsity of Reward Signal in Verifier-based Tasks

  • 如第 3.3 节所述,在奖励信号高度稀疏的场景下,提升强化学习中探索-利用的平衡效率至关重要
    • 为此,论文采用了三种方法:Clip-Higher、正例语言模型损失(Positive Example LM Loss) 和 分组采样(Group-Sampling) :
  • Clip-Higher :用于缓解 PPO 和 GRPO 训练中遇到的熵崩溃问题,该方法首次由 DAPO (2025) 提出,论文将裁剪范围解耦为 \(\varepsilon_{\text{low} }\) 和 \(\varepsilon_{\text{high} }\):
    $$
    \mathcal{L}_{\text{PPO} }(\theta) = -\frac{1}{\sum_{i=1}^{G}|o_{i}|}\sum_{i=1}^{G}\sum_{t=1}^{|o_{i}|}\min\left(r_{i,t}(\theta)\hat{A}_{i,t},\text{clip}\left(r_{i,t}(\theta),1-\varepsilon_{\text{low} },1+\varepsilon_{\text{high} }\right)\hat{A}_{i,t}\right),
    $$
    • 通过增大 \(\varepsilon_{\text{high} }\),论文为低概率 Token 提供了更多增长空间,同时保持较小的 \(\varepsilon_{\text{low} }\) 以避免采样空间崩溃
  • Positive Example LM Loss :旨在提升强化学习中对正样本的利用效率
    • 在复杂推理任务中,许多训练样本的答案错误,传统策略优化效率低下。为了最大化正确样本的效用,论文引入负对数似然(NLL)损失:
      $$
      \mathcal{L}_{\text{NLL} }(\theta) = -\frac{1}{\sum_{o_{i}\in\mathcal{T} }|o_{i}|}\sum_{o_{i}\in\mathcal{T} }\sum_{t=1}^{|o_{i}|}\log\pi_{\theta}\left(a_{t}|s_{t}\right),
      $$
      • 其中 \(\mathcal{T}\) 表示正确答案集合
    • 最终损失通过权重系数 \(\mu\) 与策略梯度损失结合:
      $$
      \mathcal{L}(\theta) = \mathcal{L}_{\text{PPO} }(\theta) + \mu * \mathcal{L}_{\text{NLL} }(\theta).
      $$
  • Group-Sampling :用于在同一 Prompt 下采样具有区分性的正负样本
    • 在固定计算预算下,论文观察到减少批次中 Prompt 数量并增加重复生成次数能够略微提升性能,原因是其引入了更丰富的对比信号,从而增强了策略模型的学习能力

Experiments

Training Details

  • 论文通过基于 Qwen-32B 模型对 PPO 算法进行各种修改来增强模型的数学性能
    • 这些技术对其他推理任务(如与代码相关的任务)也有效
  • 对于 basic PPO:
    • 使用 AdamW 作为优化器
    • Actor 学习率设置为 \(1×10^{-6}\)
    • Critic 学习率设置为 \(2×10^{-6}\) (因为 Critic 需要更快地更新以跟上策略变化)
    • 学习率采用 warmup-constant 调度器
      • 问题:warmup-constant 调度器是什么?
    • Batch Size 为 8192 个 Prompt ,每个 Prompt 采样一次,每个 Mini-Batch Size 设置为 512
    • 价值网络使用奖励模型初始化
    • GAE \(\lambda\) 设置为 0.95
    • \(\gamma\) 设置为 1.0
    • 使用 Sample-level loss
    • \(\epsilon\) 设置为 0.2
  • 与 vanilla PPO 相比,VAPO 进行了以下参数调整:
    • 1)在开始策略训练之前,基于奖励模型(RM)对价值网络进行了 50步 的预热(对应 Value-Pretraining)
    • 2)利用Decoupled-GAE ,其中价值网络从使用 \(\lambda=1.0\) 估计的回报中学习,而策略网络从使用单独 \(\lambda\) 获得的优势中学习
    • 3)根据序列长度自适应设置优势估计的 \(\lambda\),遵循公式:
      $$ \lambda_{policy}=1-\frac{1}{\alpha l}$$
      • 其中 \(\alpha=0.05\)
    • 4)将裁剪范围调整为 \(\epsilon_{high}=0.28\) 和 \(\epsilon_{low}=0.2\)
    • 5)采用 Token-level 策略梯度损失
    • 6)在策略梯度损失中添加 Positive Example LM Loss ,权重为 0.1
    • 7)每个采样使用 512 个 Prompt ,每个 Prompt 采样 16 次,并将小批量大小设置为 512
  • 论文还将展示从 VAPO 中单独移除这七项修改中的每一项的最终效果
  • 对于评估指标,论文使用 AIME24 在 32次采样上的平均通过率
    • 采样参数设置为 \(topp=0.7\) 和 \(temperature=1.0\)

Ablation Results

  • 在 Qwen-32b 上,使用 GRPO 的 DeepSeek R1 在 AIME24 上达到 47 分,而 DAPO 在 50% 的更新步骤中达到 50分
  • 在图1中,论文提出的 VAPO 仅使用 DAPO 步骤的 60% 就达到了这一性能,并在仅 5,000 步内实现了 60.4 的新 SOTA 分数,证明了 VAPO 的效率
  • 此外,VAPO 保持稳定的熵(既不崩溃也不过高),并且在三次重复实验中始终达到 60-61 的峰值分数,突出了论文算法的可靠性
  • 表1 系统地呈现了论文的实验结果:
    • 原始PPO方法由于 Value Model 学习崩溃,在训练后期仅达到 5分,其特征是响应长度急剧减少,模型直接回答问题而不进行推理
    • 论文的 VAPO方法 最终达到 60分,这是一个显著的改进
  • 论文通过单独消融七项提出的修改进一步验证了它们的有效性:
    • 1)没有 Value-Pretraining:模型在训练期间经历与原始 PPO 相同的崩溃,收敛到最大值约 11分
    • 2)移除Decoupled-GAE :会导致奖励信号在反向传播期间指数衰减,阻止模型充分优化长形式响应,并导致 27分 的下降
    • 3)Adaptive GAE:平衡了对短响应和长响应的优化,产生了 15分 的改进
    • 4)Clip higher:鼓励彻底的探索和利用;移除它将模型的最大收敛限制为 46分
    • 5)Token-level loss:隐含地增加了长响应的权重,贡献了 7分 的增益
    • 6)结合 Positive Example LM Loss 将模型提高了近 6分
    • 7)使用 Group-Sampling 生成更少的 Prompt 但更多的重复也导致了 5分的改进

Training Dynamics

  • RL 训练期间生成的曲线提供了训练稳定性的实时 insights,不同曲线之间的比较可以突出算法差异
  • 通常认为,更平滑的变化和更快的增长是这些曲线的理想特征
  • 通过比较 VAPO 和 DAPO 的训练过程,论文做出了以下 observations:
    • 图2 显示 VAPO 的训练曲线比 DAPO 的更平滑,表明 VAPO 中的算法优化更稳定
    • 如图2a 所示,与 DAPO 相比,VAPO 表现出更好的长度缩放:在现代背景下,更好的长度缩放被广泛认为是模型性能提高的标志,因为它增强了模型的泛化能力
    • 图2b 表明 VAPO 的分数增长比 DAPO 快,因为 Value Model 为模型提供了更细粒度的信号来加速优化
    • 根据图2c,VAPO 的熵在训练后期比 DAPO 的下降得更低,这是一把双刃剑:
      • 一方面,它可能阻碍探索
      • 另一方面,它提高了模型稳定性
      • 从 VAPO 的最终结果来看,较低的熵对性能的负面影响最小,而可重复性和稳定性被证明是非常有利的

Related Work

  • OpenAI o1 在 LLM 中引入了深刻的范式转变,其特点是在提供最终响应之前进行扩展推理
  • DeepSeek R1 开源了其训练算法(value-model-free 的 GRPO)和模型权重,其性能可与 o1 媲美
  • DAPO 识别了在 value-model-free LLM RL 扩展期间遇到的先前未公开的挑战,如熵崩溃,并提出了四种有效技术来克服这些挑战,实现了 SOTA 行业级性能
  • 最近,Dr.GRPO 移除了 GRPO 中的长度和 std 归一化项
  • 另一方面,ORZ 遵循 PPO 并使用 Value Model 进行优势估计,提出蒙特卡罗估计而不是广义优势估计
  • 然而,它们只能达到与 GRPO 和 DAPO 等 value-model-free 方法相当的性能
  • 在论文中,论文也遵循基于 Value Model 的方法并提出 VAPO,其性能优于 SOTA value-model-free 算法 DAPO

NLP——LLM对齐微调-Self-Rewarding-RubricRL

注:本文包含 AI 辅助创作

  • 参考链接:
    • 原始论文:(Self-Rewarding-RubricRL) Self-Rewarding Rubric-Based Reinforcement Learning for Open-Ended Reasoning, 20250919, Ant Group

Paper Summary

  • 整体说明:
    • 论文介绍了一种轻量级的训练范式 用于开放域推理的 Rubric-based RL Self-rewarding 强化学习(Self-Rewarding Rubric-Based Reinforcement Learning for Open-Ended Reasoning) ,在基于 Rubric 验证的奖励下,用策略模型本身替代了单独的奖励模型
      • 这种方法在降低训练成本的同时,提升了在困难任务上的性能
    • 核心创新点:自己作为自己的 Grader,不断“互相”进化(循环进化)
    • 注意:这项工作的实验仅限于医疗领域的 HealthBench
      • 作者相信该方法对其他开放域任务也会有效,未来的工作应探索更广泛的领域
    • 阅读问题:
      • 在数据分析阶段,全文包含了许多图片和文字描述不一致的情况!深究下去比较浪费时间,不建议深究,仅关注论文的核心贡献是 Self-Rewarding 即可
  • 背景 & 问题:
    • 开放式评估对于在现实世界场景中部署大语言模型至关重要
    • 在研究 HealthBench 时,作者观察到使用模型自身作为 Grader 并生成 Rubric-based 奖励信号,能显著提高推理性能(训练后的模型也会成为更强的 Grader )
  • Motivated by this,论文提出了 Self-Rewarding Rubric-Based Reinforcement Learning for Open-Ended Reasoning
    • 一个轻量级框架,能够实现更快、更高效的资源利用训练,同时超越 Baseline 方法
    • 在 Qwen3-32B 模型上,仅使用 4000 个样本的 HealthBench Easy 子集进行训练,就足以获得一个在 HealthBench Hard 上性能超过 GPT-5 的模型
    • 加入少量由教师(Teacher)评分的数据可以进一步提升能力较弱模型的性能

Introduction and Discussion

  • 随着 OpenAI o1 (2024) 的发布和 DeepSeek R1 (2025) 的开源,基于 RLVR 的推理模型已迅速成为社区关注的焦点,为大型语言模型引入了第二个可扩展性维度
  • 早期的研究主要集中在提升数学和编码能力,而最近的开源模型如 Kimi K2 (2025) 和 GLM-4.5 (2025) 则将注意力转向训练智能体能力
    • 与开放式(Open-Ended)推理相比,这些场景下的奖励信号相对明确
  • 在实际应用中,用户通过多轮对话与模型交互,并提出开放式问题,这与基准测试类型的任务有很大不同
    • 因此,用于评估和强化学习的可靠奖励信号要难以获取得多
  • 这一挑战在医疗保健领域(healthcare domain)尤为突出(Particularly pronounced) ,因为用户期望获得值得信赖且可靠的回答
    • 为解决此问题,OpenAI 引入了一个名为 HealthBench (2025) 的开源基准
      • HealthBench 是一个基于对话的开放式评估基准,旨在评估语言模型在医学领域的能力
      • HealthBench 采用 LLM-as-a-Judge (2023) 框架,并使用基于详细 Rubric 的评分系统,针对特定任务的标准来评估模型性能
  • 为应对这一挑战,论文专注于 HealthBench 基准测试,并提出Self-rewarding Rubric-based 的开放式推理强化学习 ,
    • 该方法直接利用 Rubric-based 评估信号进行训练,并整合了模型的自我评分(self-grading)
  • 论文的方法显著降低了资源消耗,提高了训练效率,同时提升了性能

Background and Preliminary Experiments

Background on Open-Ended Evaluation

  • 自从将 RLVR 引入训练以来,LLMs 在具有客观可验证事实依据的任务上取得了显著进步,例如:
    • 数学领域的 AIME 和 FrontierMath (2025);
    • 编码领域的 SWE-bench (2024) 和 Aider Polyglot (2025);
    • 用于指令遵循或工具使用的 BrowseComp (2025) 和 Tau2-bench (2025)
    • 这展示了强大的推理时 Scaling 能力(inference-time scaling capabilities.)
    • 这些进步主要归因于在强化训练期间,此类任务中存在定义明确的奖励信号
  • By Contrast,针对大语言模型的开放式评估基准相对较少
    • 代表性的例子包括 LMSYS Chatbot Arena (2023)、 MT-Bench (2023) 和 AlpacaEval (2023),但这些基准通常依赖于 LLMs 或人类专家作为 Grader ,这带来了潜在的偏见和可扩展性问题
  • HealthBench 是一个医学领域的开放式评估基准,包含 5000 个对话实例,其模型回答根据 Task-specific Rubric 进行评估,论文主要关注 HealthBench ,原因如下:
    • HealthBench 的基准数据由具有临床实践经验的医师标注,确保了正确性和领域专业知识,因此与 LMSYS Chatbot Arena (2025) 相比减少了偏见
    • HealthBench 包含一个由 1000 个问题组成的 HealthBench Hard 子集,前沿模型在该子集上的得分尚未超过 50% ,这使其适合研究开放式回答中的推理
    • HealthBench 提供了一个元评估(在论文中称为 HealthBench Meta ),该评估使用宏观 F1 分数来量化 LLM Grader 与人类医师之间的差异

Meta Evaluation of Open-Source Models on HealthBench

  • HealthBench 依赖闭源模型 GPT-4.1 进行评分,这对评估的可重复性和训练的可行性提出了挑战
    • 因此,论文使用不同规模的开源模型进行 HealthBench 评估
    • 论文使用 simple-evals 进行评估,采样参数详见附录 A.1
  • 如图 2 所示,虽然 GPT-4.1 仍然是最强的 Grader (0.709),但开源模型正在逐步追赶
    • 例如 Kimi-K2-Instruct (0.693) 和 Qwen3-235B-Instruct-2507 (0.681),并且呈现出模型越大得分越高的趋势
    • Notably,对于 Qwen3 的混合推理模型,无思考模式(nothink mode)的得分低于思考模式(think mode)
      • 这种性能下降在 MoE 模型中尤为明显,Qwen3-235B-A22B 下降了 0.055
      • 理解:
        • 图 2 中,nothink/think 是在同一个图上的, 模型也相同,只是灵活取消了 think 作为 nothink
        • 这里的 nothink 主要是只同一个模型既可以 think 又可以不 think 时的 nothink 选项;与传统的 nonthinking 模型不完全一致
  • 论文还测试了 Qwen3-32B 在不同采样温度下的评分能力,如表 2 所示
    • 结果表明,Qwen3-32B 在评分能力上对采样温度不敏感,得分在 0.670 左右波动
    • 理解:这里给了个很好的实例,调整模型的采样温度实际上不一定影响很大(表 2 中从 0.0 到 1.0 都试了,分数几乎没有太大变化)
  • Furthermore,论文使用 GPT-4.1、Kimi-K2-Instruct 和 Qwen3-32B 自身分别作为 Grader ,以思考模式评估 Qwen3-32B 作为采样模型
    • 如表 1 所示,随着 Grader 能力的增强,Qwen3-32B 在 HealthBench Hard 上的得分降低,这表明较弱的 Grader 往往会由于评估错误而给出更高的分数

Preliminary Experiments

  • 论文进行了初步实验,以研究使用开源模型作为 Grader 来训练开放式推理任务的可行性
  • 除非另有说明(Unless otherwise specified),后续章节中的实验训练数据和参数均与本节介绍的一致
Models and Datasets
  • 如图 2 和表 1 所示,Qwen3-32B 是一个合理的选择
  • 在后续的 Self-rewarding 实验中,论文验证了即使是较弱的 Qwen3-8B 也能取得良好的性能
  • 对于训练数据,论文将其分为两类:
    • 一类是基准和合成数据,其中每个 Prompt 都附带 Rubric 及其对应的分数;
    • 另一类是论文收集的 GPT-4.1 评分数据,用于判断特定 Response 是否满足特定 Rubric
  • 在整篇论文中,论文使用以下数据集术语:
    • Easy data :4000 个 HealthBench Easy 样本,除非另有说明,否则用于训练
    • Synthetic data :4000 个与 Easy 数据类似的合成生成样本
    • Scoring data :1000 个论文从先前评估中收集的 GPT-4.1 评分样本
    • Mixed data :Easy 数据和 Scoring 数据的组合,总计 5000 个样本
  • 在本节中,论文主要使用 Easy 数据进行训练,并在 HealthBench Hard 的 1000 个问题上评估模型的推理能力
    • 在后续的 Self-rewarding 实验中,论文也使用合成数据进行训练,但这并非论文重点

Training Details

  • SFT :
    • 由于 HealthBench 为大多数样本提供了理想的完成结果,论文首先在 Easy 数据集上进行 SFT。论文使用批大小为 64,学习率为 1e-5,序列长度为 4096,训练 3 个轮次
  • RL :
    • 论文使用 GRPO 算法,并采用 DAPO 的大部分参数
    • 论文通过 verl 实现,最大 Prompt 长度为 2048 个 token,最大 Response 长度为 6144 个 token,训练 Prompt 批大小为 32,每个 Prompt 生成 4 个 Response,训练 10 个轮次
      • 其他详细参数在附录 A.3 中提供
    • 论文使用生成式奖励模型(generative reward model,GRM)来评判每个 Rubric 是否被满足并相应赋分 ,奖励计算详见第 3.4.1 节
      • 本节实验中,GRM 是处于思考模式的静态 Qwen3-32B 模型
Reward Formulation for Reinforcement Learning
  • RL 的训练目标与 DAPO 类似,采用 clip-higher 策略、token 级别的梯度损失,并省略了 KL 惩罚项,其目标函数如下:
    $$
    \mathcal{J}(\theta)= \mathbb{E}_{(q,\mathcal{R})\sim\mathcal{D},\{o_{i}\}_{i=1}^{G} \sim\pi_{\theta_{\text{old} } }(\cdot|q)}
    \left[\frac{1}{\sum_{i=1}^{G}|o_{i}|}\sum_{i=1}^{G}\sum_{t=1}^{|o_{i}|}\min \left(w_{i,t}(\theta)\hat{A}_{i,t},\text{clip}\left(w_{i,t}(\theta), 1-\varepsilon_{\text{low} },1+\varepsilon_{\text{high} }\right)\hat{A}_{i,t}\right)\right] \tag{1}
    $$
    • \(\pi_{\theta}\) 是语言模型
    • \(q\) 是从 Prompt 集 \(\mathcal{D}\) 中采样的 Prompt
    • \(\mathcal{R}\) 是 \(q\) 对应的特定 Rubric 集
    • 每个 Prompt 生成 \(G\) 个样本的组
    • \(w_{i,t}=\frac{\pi_{\theta}(o_{i,t}|q,o_{i,< t})}{\pi_{\theta_{\text{old} } }(o_{i,t}|q,o_{i,< t})}\) 是重要性采样比率
  • Importantly,优势估计通过下式进行:
    $$
    \hat{A}_{i,t}=\frac{S_{i}-\text{mean}(\{S_{i}\}_{i=1}^{G})}{\text{std}(\{S_{i}\}_{i=1}^{G})} \tag{2}
    $$
    • 其中 \(S_{i}\) 是组中第 \(i\) 个样本的奖励分数
  • 对于每个样本,奖励分数 \(S\) 的计算方法是:
    • 对满足的每个 Rubric \(r_i \in \mathcal{R}\) ,由 \(\color{red}{\pi_{\theta_{\text{old} } } }\) 以生成方式进行判断(Prompt 模板与 HealthBench 相同),并赋予分数点 \(p_i\),将所有赋分累加,然后除以可能的总正分数点,最后将分数裁剪到 [0, 1] 范围
      $$
      S=\frac{\sum_{r_{i}\in\mathcal{R} }p_{i}\cdot\mathbb{I}(\color{red}{\pi_{\theta_{\text{old} } }}(r_{i}\text{ criteria_met}))}{\sum_{r_{i}\in\mathcal{R} }p_{i}\cdot\mathbb{I}(p_{i}>0)} \tag{3}
      $$
      • 特别注意:这里使用的 Rubric Verifier 是策略自身,即 \(\color{red}{\pi_{\theta_{\text{old} } } }\)
  • 这种方法与先前工作有两点主要不同:
    • 1)它使用针对任务的大量且多样化的特定 Rubric ,而非通用原则(rather than general principles);
    • 2)每个 Rubric 由 GRM 独立评分,提供了清晰、细粒度的(fine-grained)奖励信号
    • 奖励过程受原始 HealthBench 评估协议的启发
Preliminary Results
SFT degrades open-ended reasoning without chain-of-thought(不包含思维链的 SFT 会降低开放式推理能力)
  • 论文观察到,虽然训练损失持续下降,但验证损失在一个轮次后迅速增加,如图 8 所示(附录 A.2)
  • 使用 Kimi-K2-Instruct 作为 Grader ,论文发现 SFT 模型在 HealthBench Hard 上的得分,在验证损失最低的检查点(200 步后),从基础模型的 0.1988 下降到 0.0004,两者均在无思考模式下评估
    • 注意:0.1988 下降到 0.0004 这个分数在 图 8 中没有找到,是其他地方显示的吗?
  • 这一发现与之前的研究 (2024, 2025) 一致,特别是当 SFT 中未包含思维链推理时,模型即使在分布内的挑战性问题上也未能泛化
RL consistently enhances model performance even with limited data(数据有限的情况下,RL 也能持续提升模型性能)
  • 如图 3 所示,训练期间模型的 Response 长度自发增加,奖励持续提升直至达到最大 Response 长度
  • Simultaneously,在 HealthBench Hard 评估中,模型性能持续提升,最终达到 0.446,显著超过 OpenAI o3 的 0.32 分,如图 4 所示
  • 论文观察到,虽然使用 Kimi-K2-Instruct 或 Qwen3-32B 作为 Grader 会得到更高的分数,但趋势保持一致
  • 因此,在后续实验中,论文主要使用开源模型作为 Grader 以降低 API 成本
  • 问题:这里的 RL 训练趋势中,Kimi-K2-Instruct 和 Qwen3-32B 的效果比 GPT4.1 还好,跟前面表 1 中(原始模型能力)的结论看起来不一致,是不是有问题?
Grading ability preserves after RL training
  • 论文评估了 RL 后模型的 HealthBench Meta 分数,发现思考和无思考模式的分数均有轻微提升,如表 3 所示
  • 这一观察结果自然引导论文考虑使用模型自身作为强化学习的 Grader

Method

  • 第 3.3 节验证了使用 Rubric-based RL 奖励来训练开放域推理任务的有效性

  • however,可能存在两个限制:

  • 训练效率瓶颈 (Training Efficiency Bottleneck)

    • 由于在 verl 中实现的 GRPO 采用 on-policy 训练方法,actor 训练必须等待所有样本的奖励计算完成
      • 这极其耗时:
        • 一方面,GRM 评分本身就很慢;
        • 另一方面,每个 Rubric 都需要进行判断,每个样本平均有 11 个 Rubrics,再加上每个样本采样 4 个 Responses
      • 在论文之前的实验中,论文部署了与训练 GPU 数量相同的 SGLang router 服务来进行 GRM 推理
        • 由于性能限制,单步训练时间中大约有 70-80% 消耗在奖励计算上
  • GRM 能力限制 (GRM Capability Constraints)

    • 一个自然的担忧是 GRM 自身的能力可能会限制 RL 训练的效果
    • 出于可扩展性的考虑,作者希望在不依赖比策略模型更大的模型的情况下取得更好的结果
      • 其背后的直觉与 (2024) 类似
  • 根据论文初步实验观察到的模型评分能力在 RL 训练期间没有下降的现象,论文提出了 用于开放域推理的 Rubric-based RL Self-rewarding 强化学习 (Self-Rewarding Rubric-Based Reinforcement Learning for Open-Ended Reasoning) ,如图 1 和算法 1 所示

    • 与原始 GRPO 的关键区别在于,论文通过 Task-specific Rubrics 使奖励信号可验证,并使用模型自身作为奖励模型,在保持有效性的同时大大减少了评分时间
    • 通过使用模型自身作为奖励评估器,这种方法有两个优点:
      • 优点1:减少了训练所需的计算资源
        • 在使用相同数量 GPU 且无需额外推理资源的情况下,单步训练时间最多可减少 30%
      • 优点2:使得训练出的模型能够超越 Baseline 性能
  • 前文公式补充:
    $$
    \mathcal{J}(\theta)= \mathbb{E}_{(q,\mathcal{R})\sim\mathcal{D},\{o_{i}\}_{i=1}^{G} \sim\pi_{\theta_{\text{old} } }(\cdot|q)}
    \left[\frac{1}{\sum_{i=1}^{G}|o_{i}|}\sum_{i=1}^{G}\sum_{t=1}^{|o_{i}|}\min \left(w_{i,t}(\theta)\hat{A}_{i,t},\text{clip}\left(w_{i,t}(\theta), 1-\varepsilon_{\text{low} },1+\varepsilon_{\text{high} }\right)\hat{A}_{i,t}\right)\right] \tag{1}
    $$

    $$
    \hat{A}_{i,t}=\frac{S_{i}-\text{mean}(\{S_{i}\}_{i=1}^{G})}{\text{std}(\{S_{i}\}_{i=1}^{G})} \tag{2}
    $$

    $$
    S=\frac{\sum_{r_{i}\in\mathcal{R} }p_{i}\cdot\mathbb{I}(\color{red}{\pi_{\theta_{\text{old} } }}(r_{i}\text{ criteria_met}))}{\sum_{r_{i}\in\mathcal{R} }p_{i}\cdot\mathbb{I}(p_{i}>0)} \tag{3}
    $$


Results

Self-Rewarding Effectiveness

The model’s scoring ability improves as response length increases(模型的评分能力随着 Response 长度增加而提高)
  • 论文在与第 3.3 节 Baseline 相同的训练设置下,对 Qwen3-32B 进行了 Self-rewarding 实验,使用模型自身作为 Grader (这是一个移动的目标)
    • 注:这里说的 Baseline 是 3.3 节(Preliminary Experiments)中提到的使用开源模型作为 Grader 的方案
  • 由于训练集奖励或验证集分数是由不同的 Grader 评分的,论文无法直接与 Baseline 进行比较,因此论文在图 5a 中提供了 Response 长度的变化过程及其 HealthBench MF1 分数
    • 问题:找一个相同 Grader 来评分不旧好了?
    • 问题:MF1 分数是什么?
      • 回答:HealthBench 的 MF1 分数 是 Macro F1 score(宏 F1,Macro-F1) ,是该医疗评估基准中用于衡量模型分级器(grader)与人类医师评分一致性的核心指标,取值范围为 0 到 1,越接近 1 代表一致性越高,详情见论文附录部分
  • 从图 5 中可以看出:
    • 尽管论文没有显式地训练模型的评分能力,但评分能力并未下降,而是与 Response 长度同步变化,这反过来又提供了更高质量的奖励信号,形成了一个良性循环
      • 理解:其实看起来 MF1 分数的提升很小,累计只有 0.005 左右,其实不能算是看到了持续提升, 更像是持平
    • Especially,图 5a 中的灰色区域表明,与 Baseline 相比,它帮助模型生成了更长的输出
    • Additionally,通过与医生按主题比较 MF1,论文发现模型在大多数主题上都优于原始的 Qwen3-32B;
    • Notably,模型在全球健康和不确定性下响应 (Global Health and Responding Under Uncertainty) 方面超过了医生的加权平均值(见附录 A.4 的图 9)
Once the response length reaches its limit, self-rewarding further enhances the model’s reasoning performance(Response 长度达到限制后, Self-rewarding 能进一步提升推理性能)
  • 论文使用 Qwen3-32B 模型作为 Grader ,在 HealthBench Hard 上评估了实验,结果如图 5b 所示
    • 其中一次 Self-rewarding 运行的评分温度 (grading temperature) 设为 1.0(与 rollout 温度相同),而其他运行则保持建议的 0.6
      • 注:如表 2 所示,温度不应该影响评分性能
  • 最终结果显示所有配置都持续优于 Baseline ,而将评分温度设置为 1.0 时取得了最佳性能
    • 如图 5a 所示, Self-rewarding 比 Baseline 更早达到最大 Response 长度(均在 700-800 步内);
    • 然而,其在图 5b 中显示的 HealthBench Hard 分数持续增加,从而获得了相对于 Baseline 更好的最终结果
    • 理解: Baseline 的配置见 3.3 节(Preliminary Experiments)中提到的使用开源模型作为 Grader 的方案
  • 最后,论文使用 GPT-4.1 作为 Grader 进行了更准确的评估,结果如表 4 所示
    • 论文观察到所有 Self-rewarding 方法都优于 Baseline ,甚至超过了 GPT-5 的性能
  • 此外,论文发现将评分温度设置为与 rollout 温度相匹配会得到更好的结果,这与 Qwen3-32B 评估结果一致,达到了 0.500 的分数
Improvements are observed across most evaluation dimensions
  • 论文分析了不同维度的分数变化,发现在完整性和上下文感知 (context awareness) 方面有显著改善,这对大多数模型来说都具有挑战性
  • 后者尤其要求模型“恰当地响应存在的上下文线索”,需要强大的上下文理解能力
  • 然而,随着输出内容变长,沟通质量 (communication quality) 方面出现了一个负面副作用
    • 即模型的表达变得不够简洁、清晰和易读
    • 这凸显了在开放性问题中需要进行权衡,并表明仍有大量的研究机会
  • 论文比较了原始 Qwen3-32B 模型和 Self-rewarding 模型的分数,发现 82.5% 的样本有所改进
    • 在改进的样本中,与其余样本相比,上下文感知 Rubric 的比例从 20.6% 下降到 17.5%,而沟通质量的比例从 6.0% 增加到 9.1%
    • 相关案例见附录 A.5

Training Efficiency

  • 论文分析了 Self-rewarding 方法相比于 Baseline 方法的训练效率
  • 如表 5 所示,在早期阶段,较短的 average rollouts 使得奖励计算在单步时间中占比较大,而在后期阶段,较长的 rollouts 降低了奖励时间的相对比例
  • Self-rewarding 在单步时间和奖励计算时间上均实现了显著的加速(各阶段均减少约 50%),展示了论文方法的计算优势
  • 请注意, Baseline 训练使用 32 个 GPU 进行训练,另外 32 个 GPU 用于 GRM 推理,而 Self-rewarding 总共只使用 32 个 GPU,所有其他配置保持不变
  • Importantly,观察到的训练效率提升与实现细节密切相关;因此,论文仅报告论文配置下的相对效果

Dataset Influence

Using scoring data further enhances the model’s grading ability(使用评分数据可进一步提升模型的评分能力)
  • 为了进一步评估改进的评分能力如何影响不同规模的训练,论文从前期的 GPT-4.1 评估中构建了一个评分数据集,并使用可验证的奖励目标进行训练
  • 当仅在评分数据上训练时(图 7a),Qwen3-8B 的 HealthBench MF1 从 0.627 提升到 0.651,而 Qwen3-32B 的则从 0.670 提升到 0.684
  • 在混合目标 (mixed-objective) 设置下(图 7b),评分能力进一步提升;
    • 然而,对于 Qwen3-8B,整个训练过程中分数持续增加,而对于 Qwen3-32B,则出现了过拟合
  • 值得注意的是,由于重复输出,Qwen3-8B 的训练在大约 600 步后崩溃,而 Qwen3-32B 的训练则非常稳定
  • 问题:从图 7(a) 看,300 步内,看着整体还是呈现上升状态的,600 步后的崩溃没有给出图像说明
    • 图 7(b) 中给出了 Qwen3-8B 到 600 步以后就没有分数了,看起来像是 Mixed 和 非 Mixed 都同时崩溃?
Mixed-objective training benefits weaker models but not stronger ones(混合目标训练对较弱模型有益,但对较强模型无效)
  • 当使用混合数据 (mixed data) 训练时,Qwen3-8B 的 HealthBench Hard 分数(由 Qwen3-32B 评分)从 0.354 增加到 0.380,而 Qwen3-32B 的性能则如图 5b 所示有所下降
    • 问题:似乎没看到下降,始终高于不适用混合数据的训练方案;只是自身在提升后随着训练的进行有下降趋势(仍始终高于非混合数据方案)
  • 结合图 7b 中观察到的过拟合现象,论文假设较强模型的评分能力对于自我训练已经足够,而混合目标干扰了原始目标
  • 因此,论文建议对较强的模型使用纯 Rubric-based RL 训练目标
Synthetic data remain effective, but underperform expert data
  • 合成数据仍然有效,但表现不及专家数据
  • 同样,像 easy set 这样的专家精心策划的数据收集成本高昂,因此论文评估了合成数据的有效性
  • 如图 5b 所示,使用合成数据进行训练是有效的(effective),但落后于专家数据的 Baseline
    • 这符合预期:更高质量的专家数据为学习提供了更强的指导
    • 问题:合成数据的训练明显是所有方案中 HealthBench Hard 得分最低的,怎么能说是有效的呢?作者是不是看错了?

补充:Related Works

  • 自演进(self-evolving)大语言模型的概念既引人入胜,也在迅速发展
    • 在此,论文总结最相关的研究方向

Reinforcement Learning from AI Feedback,RLAIF

  • RLAIF 最初是作为 RLHF 的替代方案提出的,用于训练模型使其有用、诚实且无害 (2022)
    • 其主要优点是不需要人类标注者,而是依赖于一个标量奖励模型 (2022)
  • (2024) 进一步证明,当奖励模型和策略模型规模相当时,RLAIF 可以达到与 RLHF 相当甚至更优的结果
    • 他们还提出了一种变体,直接 RLAIF(direct-RLAIF),即直接使用更小的通用 LLM 作为 Grader ,其性能可以超越同规模的奖励模型
  • 论文的工作借鉴了这一观点(特别是,生成式奖励模型可能更有效)
    • 通过利用训练好的策略模型本身作为奖励模型来生成奖励信号

Rubrics as Rewards,RaR

  • 同样受 HealthBench (2025) 启发,同时期的工作 (2025) 也探索了使用 Rubric-based 评分信号进行训练
    • However,他们的方法依赖于更强的专有模型作为 Grader
  • In Contrast,论文的工作并不专注于自动构建 Rubric 数据集
    • 因为论文的实验表明,由专家定制的 Rubric 数据在训练效果上具有显著优势

Self-Rewarding Language Models

  • Self-Rewarding Language Models (2025) 首次引入了这种范式,通过对模型自身的回答进行评分,并构建成对偏好数据用于直接偏好优化(DPO)训练
  • However,(2024) 指出这种训练可能会积累偏见,导致优化目标漂移
  • Kimi K2 (2025) 提出了自批判 Rubric 奖励机制(Self-Critique Rubric Reward),该机制针对一组有限的 Rubric 进行成对评估
  • 论文的方法主要采用点式复合奖励(point-wise composite rewards)和广泛的 Task-specific Rubric 来减轻奖励破解(reward hacking),并证明相对较小的开源模型能在困难的开放式推理任务上达到 SOTA 结果

附录 A:更多细节

A.1 Sampling Parameters for Evaluation

  • 关于采样器(Samplers),对于所有开源模型,max_tokens 均设置为 32768
  • 关于 Graders ,对于非推理模型设置为 4096,启用思考模式时设置为 8192
    • 对于 GPT-4.1,参数与原始代码库中提供的保持一致
    • 其他采样参数总结在表 6 中

A.2 SFT Loss Curves

  • Figure 8:

A.3 强化学习的训练细节

  • 由于 verl 中参数和配置的复杂性,论文在此仅列出关键设置;完整的训练脚本将在开源代码库准备就绪后提供
  • 后端(Backends) 论文使用 Megatron 进行 Actor 训练,使用 vLLM 进行 Rollout,但 GRM/评估使用 SGLang 路由器部署
  • 并行策略(Parallelism Strategy) 对于 Qwen3-32B,论文使用 4 路张量并行和 2 路流水线并行进行训练,使用 4 路张量并行进行 Rollout。对于 Qwen3-8B,论文使用 4 路张量并行进行训练
  • ** Baseline SGLang 设置** 每个节点以 8 路数据并行初始化,并通过具有自动负载均衡的 SGLang 路由器连接
  • verl 的特定参数(Specific parameters for verl)
    • 除了混合数据实验外,所有实验的 train_batch_size=32,ppo_mini_batch_size=32;混合数据实验的这些值都设为 40,以保持每步的 Rubric 数据一致
    • max_prompt_length=2k,max_response_length=6k
    • rollout.n=4,rollout.max_model_len=16k
    • rollout.temperature=1.0,rollout.top_p=1.0,rollout.top_k=-1
    • clip_ratio_low=0.2,clip_ratio_high=0.28

A.4 Comparision to Physicians

  • Figure 9:

A.5 案例研究

A.5.1 Performance Improvement Case
  • 详情见原文
A.5.2 Performance Drop Case
  • 详情见原文

附录:HealthBench MF1 指标介绍

  • HealthBench 是 OpenAI 推出的医疗大模型评估基准,核心以医生编写的细粒度评分标准为核心,从 5 大行为维度与 7 大场景主题对模型回复打分,用标准化方式衡量医疗大模型在真实临床交互中的安全性、准确性与实用性
  • HealthBench 原始论文:HealthBench: Evaluating Large Language Models Towards Improved Human Health, OpenAI, 20250513
  • HealthBench HuggingFace:huggingface.co/datasets/openai/healthbench
  • HealthBench 博客链接:Introducing HealthBench, OpenAI, 20250512
  • MF1(Macro F1 分数)是用于二分类任务的性能评估指标,核心是对正类(met)和负类(not-met)的 F1 分数进行无加权平均,能平衡两类结果的评估敏感度,尤其适合类别不平衡的场景(如医疗评分中部分标准极少被触发)
  • 先明确二分类任务中的核心统计量:
    • \( TP_{pos} \):正类真阳性(模型判定“符合标准”且实际符合)
    • \( FP_{pos} \):正类假阳性(模型判定“符合标准”但实际不符合)
    • \( FN_{pos} \):正类假阴性(模型判定“不符合标准”但实际符合)
    • \( TP_{neg} \):负类真阳性(模型判定“不符合标准”且实际不符合)
    • \( FP_{neg} \):负类假阳性(模型判定“不符合标准”但实际符合)
    • \( FN_{neg} \):负类假阴性(模型判定“符合标准”但实际不符合)
  • 单类 F1 分数计算
    • F1 分数是精确率(Precision)和召回率(Recall)的调和平均数,公式为:
      $$ F1 = 2 \times \frac{\text{Precision} \times \text{Recall} }{\text{Precision} + \text{Recall} } $$
    • 分别计算正类和负类的 F1 分数:
      • 正类 F1 分数(\( F1_{pos} \)):
        $$ F1_{pos} = 2 \times \frac{TP_{pos} }{2 \times TP_{pos} + FP_{pos} + FN_{pos} } $$
      • 负类 F1 分数(\( F1_{neg} \)):
        $$ F1_{neg} = 2 \times \frac{TP_{neg} }{2 \times TP_{neg} + FP_{neg} + FN_{neg} } $$
  • MF1 最终计算
    • MF1 是正类与负类 F1 分数的无加权平均值,公式为:
      $$ MF1 = 0.5 \times (F1_{pos} + F1_{neg}) $$

一些简答说明

  • 无加权特性:无论正类、负类样本数量差异多大,两类 F1 分数在计算中权重相同,避免少数类表现被掩盖
  • 医疗场景适配性:在 HealthBench 中,MF1 用于衡量模型评分与医师判断的一致性,能同时捕捉“漏判重要医疗标准”(假阴性)和“误判无关标准”(假阳性),贴合医疗评估的严谨性需求

NLP——LLM对齐微调-TIS

注:本文包含 AI 辅助创作

  • 参考链接:
    • 原始博客:(TIS)Your Efficient RL Framework Secretly Brings You Off-Policy RL Training, 20250805-20251013
      • 博客最早发表于 20250805,目前还在持续更新,最近一次更新为 20251013
    • TIS,即 Truncated Importance Sampling

Blog Summary

  • 在现代强化学习训练框架(例如 VeRL)中, rollout 生成(例如使用 vLLM)和模型训练(例如使用 FSDP)采用了不同的实现方式
  • 博客揭示了这种 实现差距(implementation gap) 如何隐式地将 On-policy 强化学习转变为 Off-policy,并讨论了一种简单而有效的重要性采样技术来处理这种差异

The Mismatch Problem

  • 为简单起见,博客以 REINFORCE 算法为例,该算法本应通过以下方式更新策略,即一个由 \(\theta\) 参数化的大语言模型:
    $$
    \theta \leftarrow \theta + \mu \cdot \mathbb{E}_{\underbrace{a \sim{\pi}(\theta)}_{\color{red}{\text{rollout}}}} [R(a)\cdot \underbrace{\nabla_\theta \log {\pi}(a, \theta)}_{\color{blue}{\text{training}}}].
    $$
  • 在实践中,rollout 生成成本高昂,现代强化学习框架(例如 VeRL)通常采用高度优化的推理引擎(例如 vLLM, SGLang)来提高吞吐量,同时使用单独的后端(例如 FSDP, Megatron)进行模型训练。这种混合设计使得更新变为:
    $$
    \theta \leftarrow \theta + \mu \cdot \mathbb{E}_{a \sim \color{red}{\pi_{\text{sampler}}}(\theta)} [R(a)\cdot \nabla_\theta \log \color{blue}{\pi_{\text{learner}}}(a, \theta)].
    $$
    • \(\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}\) 代表加载了推理引擎(例如 vLLM, SGLang)的模型
    • \(\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}\) 代表用训练后端(例如 FSDP, Megatron)实例化的同一模型
    • 除非特别说明,博客的实验使用 vLLM 和 FSDP 作为 Sampler 和 Learner 后端
  • 可以观察到意外的 rollout-training 不匹配
    • 如图 1 所示,尽管 \(\color{blue}{\pi_{\text{fsdp}} }\) 和 \(\color{red}{\pi_{\text{vllm} }}\) 共享相同的模型参数 \(\theta\),它们可以产生 显著不同的 Token 概率
    • 对于某些 Token \(a\),它们甚至产生矛盾的预测,例如 \(\color{red}{\pi_{\text{vllm} }}(a, \theta) = 1\) 和 \(\color{blue}{\pi_{\text{fsdp}} }(a, \theta) = 0\)
      • 理解:图 1 左图中的最大差异为 1 的地方就是这样
    • 这种意外行为隐式地破坏了 On-policy 假设,秘密地使强化学习训练变成了 Off-policy
  • 图 1:
    • 左图:由不匹配问题带来的 Token 概率差异(图中横轴是训练步骤,纵轴是差异的 最大值或平均值等)
    • 右图:正常 RL 训练与修复不匹配问题后训练的性能比较
    • 实验在 Qwen2.5-32B Dense 模型上进行,使用了 4 个节点,每个节点 8 张 H100 GPU

How to Fix It?

Mitigate the system-level mismatch(缓解系统级不匹配 )

  • 更高精度的 vLLM 有帮助吗?博客首先假设 vLLM 是根本原因,因此博客修补了 vLLM 以解决两个常被怀疑导致不匹配问题的因素
    • 无法访问的真实采样概率(Inaccessible true sampling probabilities) :vLLM v1 引擎不支持直接返回用于采样的调整后概率,这引入了额外的差距
      • 博客的补丁强制 vLLM 返回用于采样的实际概率 [非流式]
    • 后端数值差异(Backend numerical differences) :vLLM 的 im_head 精度与 HuggingFace transformers 不匹配,这在 MinMax-M1 技术报告中也有提及
      • 博客的补丁提供了强制 vLLM 将 im_head 转换为 fp32 的选项
  • 如图 1 左图所示,在应用了两个补丁之后,不匹配问题仍然存在

Embrace the mismatch — Apply algorithm-level fix(接受不匹配 and 应用算法级修复 )

  • 与其在系统层面缓解分布不匹配,博客建议调整模型更新,使其意识到这种不匹配
  • 一个简单的方法是通过重要性采样校正
    • 具体来说,博客通过添加重要性权重比来处理 \(\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}\) 和 \(\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}\) 之间的不匹配,即将当前的梯度计算从:
      $$
      \mathbb{E}_{a \sim \color{red}{\pi_{\text{sampler}}}(\theta)} [R(a)\cdot \nabla_\theta \log \color{blue}{\pi_{\text{learner}}}(a, \theta)],
      $$
    • 改为:
      $$
      \mathbb{E}_{a \sim \color{red}{\pi_{\text{sampler}}}(\theta)} \Bigl[\frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner}}}(a, \theta)}{\color{red}{\pi_{\text{sampler}}}(a, \theta)} \cdot R(a)\cdot \nabla_\theta \log \color{blue}{\pi_{\text{learner}}}(a, \theta)\Bigr].
      $$
  • 尽管已有大量研究关于如何设计稳定有效的重要性采样,但在实践中博客发现通常使用一种经典技术就足够了,即截断重要性采样(Truncated Importance Sampling, TIS):
    $$
    \mathbb{E}_{a \sim \color{red}{\pi_{\text{sampler}}}(\theta)} \Bigl[\underbrace{\min\Bigl(\frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner}}}(a, \theta)}{\color{red}{\pi_{\text{sampler}}}(a, \theta)}, C\Bigr)}_{\text{truncated importance ratio}} \cdot R(a) \cdot \nabla_\theta \log \color{blue}{\pi_{\text{learner}}}(a, \theta)\Bigr],
    $$
    • 其中 C 是一个超参数
    • 注意:这里仅针对单向进行截断(对上界进行截断),详细讨论见下文

Extension to Other Algorithms

  • 将上述分析扩展到其他算法是直接的,因为可以将梯度计算的确切形式从 REINFORCE \( R(a) \cdot \nabla \log \pi (a, \theta) \) 切换到任何形式
    • 这里,博客以常用的 PPO 算法为例进行类似的分析
  • PPO 的策略梯度 \(\nabla_{\theta} L^\text{CLIP}(\theta)\) 定义为:
    $$
    \small{ \mathbb{E}_{a\sim\pi_{\theta_{\mathrm{old}}}}
    \Bigl[
    \nabla_\theta \min\Bigl(
    \frac{\pi_\theta(a)}{\pi_{\theta_{\mathrm{old}}}(a)}\hat A,
    \mathrm{clip}\bigl(\frac{\pi_\theta(a)}{\pi_{\theta_{\mathrm{old}}}(a)},1-\epsilon,1+\epsilon\bigr)\hat A
    \Bigr)
    \Bigr]}.
    $$
  • 为了提高吞吐量,混合强化学习系统采用 vLLM 引擎进行 rollout 生成(从 \(\pi_{\theta_{old} }\) 采样 Token a),同时使用 FSDP 后端既从 \(\pi_{\theta}\) 采样(注:这里应该是表达错误,这里仅仅是在计算概率值,不会真的进行采样了),又为 \(\pi_{\theta_{old} }\) 重新计算 Token 概率以进行梯度计算:
    $$
    \small{
    \mathbb{E}_{a\sim\color{red}{\pi_{\text{sampler}}}(\theta_{\mathrm{old}})}
    \Bigl[
    \nabla_\theta \min\Bigl(
    \frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner}}}(a, \theta)}{\color{blue}{\pi_{\text{learner}}}(a, \theta_{\mathrm{old}})}\hat A,
    \mathrm{clip}\bigl(\frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner}}}(a, \theta)}{\color{blue}{\pi_{\text{learner}}}(a, \theta_{\mathrm{old}})},1-\epsilon,1+\epsilon\bigr)\hat A
    \Bigr)
    \Bigr]
    }.
    $$
    • 注意,对 vLLM 引擎通过 \(\pi_{\theta_{old} }\) rollout 到的样本,还要经过 以 FSDP 为引擎的 \(\color{blue}{\pi_{\text{learner}}}\) 来对 \(\pi_{\theta_{old} }\) 重新计算概率,从而得到 \(\color{blue}{\pi_{\text{learner}}}(a, \theta_{\mathrm{old}})\)
  • 与上述分析类似,\(\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}\) 和 \(\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}\) 之间的差距再次出现,博客使用截断重要性采样来修复它:
    $$
    \mathbb{E}_{a \sim \color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(\theta_{old})} \left[ \underbrace{\min \left( \frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta_{old})}{\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(a, \theta_{old})}, C \right)}_{\text{truncated importance ratio}} \cdot \nabla_{\theta} \min \left( \frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta)}{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta_{old})} \hat{A}, \text{ clip} \left( \frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta)}{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta_{old})}, 1 - \epsilon, 1 + \epsilon \right) \hat{A} \right) \right]
    $$
    • 其中 \(C\) 是一个超参数
Additional Discussion on PG, Sequence, and Token
  • 上面的讨论没有涉及状态和行动的具体形式化
  • 博客作者之前还讨论了 Token-level 和 Sequence-level 的策略梯度,它们如何相互关联,以及 learner-sampler 不匹配的影响,下面是参考链接:
    • Policy Gradient, Sequence, and Token — Part I: Basic Concepts
    • Policy Gradient, Sequence, and Token — Part II: Learner-Sampler Mismatch

Connection to Classical Wisdom(智慧)

Importance Sampling
  • 当直接蒙特卡洛估计目标分布下的期望值很困难时,重要性采样允许博客从另一个分布中采样
  • 在博客的案例中,目标分布是 \(\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}\),但从中采样非常慢
  • 使用单独的后端(例如 vLLM)进行 rollout 生成意味着博客是从 \(\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}\) 中采样
  • 然后通过用重要性权重比对每个样本进行加权来校正差异:
    $$
    \mathbb{E}_{a \sim \color{blue}{\pi_{\text{learner}}}(\theta)} [R(a)]
    = \mathbb{E}_{a \sim \color{red}{\pi_{\text{sampler}}}(\theta)} \left[
    \underbrace{\frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner}}}(a, \theta)}{\color{red}{\pi_{\text{sampler}}}(a, \theta)}}_{\tiny\text{importance ratio}} \cdot R(a)
    \right].
    $$
Decoupled PPO
  • 解耦 PPO 是使用重要性采样来弥合 rollout 生成和梯度计算之间差距的一个特例,它已被诸如 AReaL 之类的异步强化学习框架采用
  • AReaL 没有像博客这里讨论的那样实现截断重要性权重比
    • 如果重要性权重比超过预定义的阈值,AReaL 会完全丢弃训练样本

Experiments

  • 博客进一步进行了实证分析,以阐述分布差距的影响以及所提出的截断重要性采样(TIS)修复的有效性

Does the gap matter a lot?

  • 博客使用 Qwen2.5-32B Dense 模型和流行的 DAPO 配方进行实验;数据按照社区指南进行处理,得到的结果如图 1 所示
  • 由于资源限制,博客只完成了训练的前 250 步,但意识到差距的修复方法 TIS 已经显著提升了性能
  • 由于这两个运行之间唯一的区别是引入的项,即 \(\min \left( \frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta_{old})}{\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(a, \theta_{old})}, C \right)\),这一改进展示了分布差距的潜在影响

How well can TIS fix it?(TIS 能修复多少?)

  • 博客设计了一个受控实验来衡量 TIS 修复问题的效果
    • 按照 verl 教程中的 GSM8K 示例进行 RL 训练,并使用两种不同的设置:
      • 1)正常 RL 训练:最大 Token 概率差相当小(约 0.4),比之前的设置(在 Qwen-2.5-32B Dense 模型上的 DAPO 为 1.0)要小
      • 2)使用 INT8 量化 rollouts 而非 bf16 rollouts 的 RL 训练:最大 Token 概率差相当大(1.0),比正常 RL 训练大
    • 博客在设置 1 中进行常规 PPO 训练,这“几乎”是 On-policy 的;
    • 在设置 2 中同时进行常规 PPO 训练和带有截断重要性采样的 PPO 训练,其生成 rollout 和梯度计算有更大的差距
  • 如图 2 所示
    • 与设置 1 中的 PPO 相比,在设置 2 中执行 PPO 会导致显著的性能下降
    • 同时,应用截断重要性采样成功地大大缓解了差距,有效地使设置 2 的运行达到了与设置 1 相似的性能
    • 更多分析在下面的 TIS 分析 部分提供
  • 图 2:
    • 左图:Token-level 概率差异
    • 右图:在 GSM8K 上正常 RL 训练和使用 INT8 量化 rollouts 的 RL 训练的性能比较
    • 实验在 Qwen2.5-0.5B Dense 模型上进行,使用一个节点(4 张 A6000 GPU)

Does TIS always help?

  • 图 3:
    • 左图:由不匹配问题带来的 Token 概率差异
    • 右图:正常 RL 训练与修复不匹配问题后的性能比较
    • 实验在 DeepSeek-R1-Distill-Qwen-1.5B 模型上进行,使用 4 个节点,每个节点 8 张 H100 GPU
    • 在这种情况下,不匹配并不大,因为博客在两次运行中都使用了标准的 bfloat16 rollout 并且模型相对较小
  • 博客还观察到,在概率差异相对较小的情况下,引入额外的截断重要性采样项不能带来性能提升
  • 同时,值得一提的是,在严格的 On-policy 强化学习设置中,重要性采样权重比项的值将为 1.0

TIS Analysis

Analysis about different TIS-Variants

  • 博客总结了两种缓解分布差距的替代方案
  • PPO 重要性采样 (PPO Importance Sampling, PPO-IS)
    $$
    \small{ \mathbb{E}_{a\sim\color{red}{\pi_{\mathrm{sampler}}}(\theta_{\mathrm{old}})}\Bigl[\nabla_{\theta}\min\Bigl( \frac{\color{blue}{\pi_{\mathrm{learner}}}(a, \theta)}{\color{red}{\pi_{\mathrm{sampler}}}(a, \theta_{\mathrm{old}})}\hat{A}, \mathrm{clip}\Bigl( \frac{\color{blue}{\pi_{\mathrm{learner}}}(a, \theta)}{\color{red}{\pi_{\mathrm{sampler}}}(a, \theta_{\mathrm{old}})}, 1-\epsilon, 1+\epsilon \Bigr)\hat{A}\Bigr)\Bigr]}
    $$
    • 注意:Colossal 框架使用此实现
    • 理解:这个方法中不再重新使用 FSDP 引擎(用 \(\pi_\text{old}\))对 之前 rollout 的结果进行重新计算概率
      • 注:之前 rollout 的结果是 vLLM 引擎用 \(\pi_\text{old}\) 采样得到的
  • 原始重要性采样 (Vanilla Importance Sampling, vanilla-IS)
    $$
    \mathbb{E}_{a \sim \color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(\theta_{old})} \left[ \underbrace{\frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta_{old})}{\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(a, \theta_{old})}}_{\text{importance ratio}} \cdot \nabla_{\theta} \min \left( \frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta)}{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta_{old})} \hat{A}, \text{ clip} \left( \frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta)}{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta_{old})}, 1 - \epsilon, 1 + \epsilon \right) \hat{A} \right) \right]
    $$
    • 注意:Memo-RL 使用此实现
    • 理解:这个方法和 TIS 的最大区别是缺少 TIS 中的 Clip 操作
  • 为了评估 TIS 的有效性并理解其设计选择的影响,博客进行了实验,将 TIS 与上述两种变体进行比较
    • TIS 始终优于这两种变体,尤其是在差距较大的情况下(例如 FP8/INT8)
  • 图 4:
    • 博客在 Qwen2.5-0.5B 和 GSM8K 上消融了不同的 rollout-training 不匹配缓解策略
    • 注意 PPO-IS 和 Vanilla-IS 在 INT8 rollouts 下准确率接近 0,因此高度重叠
    • 博客还在右侧绘制了 vLLM 采样分布与 FSDP 分布之间的 KL 散度
附录:为什么这里的两种变体(PPO-IS 和 vanilla-IS)会导致训练不稳定?(Why the two variants (PPO-IS and vanilla-IS) here gives unstable training?)
Vanilla-IS v.s. TIS
  • 关于 vanilla-IS,不稳定性主要来自于 rollout \(a \sim \color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(a, \theta_{old})\) 以低概率采样的情况,因此重要性权重比很大,通过 \(\left( \frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta_{old})}{\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(a, \theta_{old})} \right)^2\) 放大了梯度方差
    • 问题:\(\left( \frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta_{old})}{\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(a, \theta_{old})} \right)^2\) 是怎么来的?
    • 回答:应该是想表达 当 rollout \(a \sim \color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(a, \theta_{old})\) 以低概率采样时,\(\left( \frac{1}{\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(a, \theta_{old})} \right)^2\) 放大了方差吧;
      • 这里的表达应该是假设了 \(\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta_{old})\) 和 \(\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta)\) 近似相等
  • 因此,博客在截断重要性采样中使用 clamp 操作来稳定训练
  • 例如,当权重比 \(\frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta_{old})}{\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(a, \theta_{old})}\) 对于某个 Token 达到 16 时,通过 Vanilla-IS 该 Token 的梯度噪声将被放大 256 倍,通过 TIS-2 放大 4 倍,或通过 TIS-8 放大 64 倍
PPO-IS v.s. TIS
  • 自从作者的博客发布以来,很多人问博客为什么不直接将重要性采样纳入 PPO(即上面的 PPO-IS 变体)
    • 作者表示“坦率地说,博客一开始就像 PPO-IS 那样直接更改 PPO 的 clip,但在博客的实验设置中效果不佳”
    • 至于根本原因,通过执行 PPO-IS,梯度实际上仍然与 On-policy 版本的 PPO 存在偏差
    • 换句话说,尽管它可能仍然朝着无偏的目标进行优化,但与 PPO 相比可能效果较差
  • 此外,作者指出 PPO 信任区域技术的提出是为了限制 rollout \(\theta_{old}\) 和当前模型 \(\theta\) 之间的概率比接近 1 ,以近似 On-policy REINFORCE 梯度
    • 然而在 PPO-IS 中,即使当 \(\theta = \theta_{old}\) 时,由于不匹配,概率比 \(\frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta)}{\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(a, \theta_{old})}\) 已经不等于 1
      • 这使得裁剪很有可能发生,并且训练的信息量大大减少
    • 此外,在博客的 TIS 方法中,博客分别裁剪 \(\frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta_{old})}{\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(a, \theta_{old})}\) 和 \(\frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta)}{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta_{old})}\),因此要温和得多;
      • 注意当 \(\theta = \theta_{old}\) 时, \(\frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta)}{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a, \theta_{old})}\) 等于 1,这适合于信任区域约束

From Ill-conditioned to Benign(恶性到良性)

  • 除了 rollout 加速之外,rollout 量化也是检验 rollout 生成和梯度计算之间分布差距影响的有效测试平台
  • 博客证明了
    • 1)当不解决这种差距时,使用量化 rollouts 的 RL 训练表现出在其他场景中常见的典型不稳定性
    • 2)引入 TIS 项使 RL 训练变得稳定和良性

Entropy Collapse and Abnormal Response Length(熵崩溃和异常响应长度)

  • 许多先前的工作表明,在大语言模型中进行 RL 训练会导致熵崩溃
    • Token-level 分类分布接近 one-hot 分布,从而有效地限制了 RL 训练的探索
  • 博客的 INT8 rollout 实验揭示了严重的熵崩溃
    • 图 5 显示熵降至 0.2 以下并在整个训练过程中持续下降
  • 博客还观察到了异常长的响应生成
    • 这是 RL 训练中的另一种失败模式
  • 引入 TIS 项逆转了这一趋势,使模型能够以稳定和良性的方式进行训练
  • 图 5:DAPO-Qwen2.5-32B INT8 训练表现出各种不稳定性,并通过引入截断重要性采样成功稳定
  • 相比之下,BF16 rollout 实验没有显示出严重的熵崩溃
    • 尽管如此,TIS 项仍然增加了熵值
    • 与 INT8 rollouts 相比,分布差距较小,响应长度保持在合理范围内
  • 图 6:DAPO-Qwen2.5-32B BF16 训练表现出各种不稳定性,并可以通过引入的截断重要性采样成功稳定
  • 个人观察 & 理解:从图 6 中第一个图可以看到,熵是先降低后增加的

On the Impact of Distribution Gap: A Case Study on KL Estimation

  • \(\text{KL}(\color{blue}{\pi_{\text{old} }^{\text{fsdp}} } | \color{blue}{\pi^{\text{fsdp} }})\) 的一个无偏 KL 估计器是 \(k_1\) 估计器
    $$\log \color{blue}{\pi_{\text{old} }^{\text{fsdp}} }(a) - \log \color{blue}{\color{blue}{\pi^{\text{fsdp} }}}(a) $$
    • 其中 \(a \sim \color{blue}{\pi_{\text{old} }^{\text{fsdp}} }(a)\)
  • 然而,现代 RL 训练框架从 \(\color{red}{\pi_{\text{old} }^{\text{vllm} }}\) 生成 rollouts,而不是从 \(\color{blue}{\pi_{\text{old} }^{\text{fsdp}} }\),这给 KL 估计引入了偏差,类似于前面讨论的梯度估计偏差
  • 因此,博客可以使用 KL 估计作为案例研究来探索 \(\color{blue}{\pi_{\text{old} }^{\text{fsdp}} }\) 和 \(\color{red}{\pi_{\text{old} }^{\text{vllm} }}\) 之间不匹配的影响
    • 在无任何偏差的情况下,根据定义 KL 散度是非负的
    • 然而,INT8 rollouts 中显著的分布不匹配导致有偏的 \(k_1\) 估计器频繁产生负值,如图 5 所示
      • 理解:图 5 第 2 个图所示
    • 这些负的 KL 估计值标志着训练动态处于病态
  • 当 TIS 被纳入 RL 训练时,相同的 \(k_1\) 估计器(虽然仍然受到底层分布不匹配的影响)在大部分训练过程中保持正值
    • 这种预期符号的保持表明 TIS 成功恢复了良性的训练行为

Biased Reward in Training Log

  • 集成 TIS 的一个有趣现象是,它可能导致更差的奖励日志记录,同时带来更好的下游性能
    • 这是因为 \(\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}\) 和 \(\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}\) 之间的差距不仅给梯度估计引入了偏差,也给日志记录中的奖励估计引入了偏差
    • 记录的奖励来自 rollout 策略,即 \(\mathbb{E}_{a \sim \color{red}{\pi_{\text{sampler} }} } [R]\) 而不是 \(\mathbb{E}_{a \sim \color{blue}{\pi_{\text{learner} }} } [R]\)
    • 如图 6(右侧两个子图)所示,记录的奖励指标显示 BF16-Rollout 优于 BF16-Rollout w. TIS
    • 然而,如果查看下游的 AIME 准确率性能,BF16-Rollout w. TIS 显著优于原始的 BF16-Rollout
  • 问题:rollout 策略来自 \(\mathbb{E}_{a \sim \color{red}{\pi_{\text{sampler} }} } [R]\) 而不是 \(\mathbb{E}_{a \sim \color{blue}{\pi_{\text{learner} }} } [R]\) 影响这么大吗?

Intuitions of TIS’s Working Mechanism

  • 虽然 TIS 的确切机制仍然是一个 Open Question,但博客提供了关于 TIS 如何缓解分布差距的高层直觉
  • 忽略具有 \(\frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a_{t}, \theta_{old})}{\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(a_{t}, \theta_{old})} < 1\) 的 rollouts 的偏差(注:这里是指忽略偏差不行)可能通过以下机制导致熵崩溃:
    • 对于具有负优势的 rollouts,策略梯度倾向于减少 \(\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}\)
    • 当参数更新后存在大的分布差距时,\(\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}\) 的减少可能不会反映在 \(\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}\) 中
      • 理解:这里是因为两层 diff 导致,第一层是策略本身是 Off-policy 的,第二层是使用的引擎是 vLLM
    • 因此,策略梯度继续指向进一步减少 \(\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}\) 的方向
      • 问题:此时确实会导致 \(\frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a_{t}, \theta_{old})}{\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(a_{t}, \theta_{old})} < 1\),这里是想强调什么呢?
      • 理解:这里是想强调这种偏差的存在,使用 TIS 修正以后,可以抵消这种偏差
    • 直观地说,这种惩罚可能迫使模型过度 commit 于一个具有小熵的输出分布
      • 问题:如何理解这里会过度提交于一个小熵的输出分布?
        • 进一步减少 \(\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}\) 不一定指向更小的熵吧?
        • 理解:过度更新可能导致模型向不确定的方向更新,不一定是熵减少或增加
      • 其他理解1:持续减少一些动作的概率确实可能加速这些动作概率的降低,从而促进某些其他动作概率的增加,也就意味着熵会减少
      • 其他理解2:一个动作因为过度打压导致动作概率降低以后,后续被采样到的概率也降低了,很难被修正了
  • TIS 坚持对 \(\frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a_{t}, \theta_{old})}{\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(a_{t}, \theta_{old})} < 1\) 使用非截断的重要性权重比
    • 从而消除了这部分 rollouts 的偏差,并打破了这一机制
    • 注意:这里 TIS 的截断是单向的,使用的是 \(\min\) 来作为截断,只有当 \(\frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a_{t}, \theta_{old})}{\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(a_{t}, \theta_{old})} > 1\) 时才会截断
    • 问题:为什么 \(\frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a_{t}, \theta_{old})}{\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(a_{t}, \theta_{old})} > 1\) 时需要截断?
      • 如上所述,\(\frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a_{t}, \theta_{old})}{\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(a_{t}, \theta_{old})} < 1\) 时应该不要截断以修正偏差
      • 当 \(\frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a_{t}, \theta_{old})}{\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(a_{t}, \theta_{old})} > 1\) 时,很如果不截断,方差太大了(因为分母太小就容易出现数倍差异的情况),导致梯度波动太大
        • \(\frac{\color{blue}{\pi_{\text{learner} }}(a_{t}, \theta_{old})}{\color{red}{\pi_{\text{sampler} }}(a_{t}, \theta_{old})} < 1\) 时这个值最多在 \([0, 1)\) 之间
        • 实际上,这也是可以截断的,作者在新的博客中已经给出一些结论了,下界也可以加以限制 (IcePop)Small Leak Can Sink a Great Ship—Boost RL Training on MoE with IcePop!, 20250919, AntGroup(解读博客见:NLP——LLM对齐微调-IcePop)

Rollout-Training Mismatch Analysis

  • 博客进行了一系列受控实验,以识别引入或放大 rollout 生成和梯度计算之间差异的因素
  • 博客发现并行策略的差异和长响应长度导致了不匹配,而仅 Sampler 后端的选择影响有限

Analysis Setup

Model & Data
  • 博客使用两个代表性模型进行实验(使用 DAPO 配方训练的 DAPO-32B 和 使用 Polaris RL 配方训练的 Polaris-7B)
  • 对于评估,博客使用 DAPO-Math-T2k 数据集的前 512 个提示来评估 Sampler 和 Learner 输出之间的差异指标
  • 博客使用两个指标测量响应级别的 Mismatch :
    • 每个响应的 Max Mismatch :
      $$ \max_{a \in \text{response}} |p_\text{sampler}(a) - p_\text{learner}(a)|$$
    • 每个响应的平均 Mismatch :
      $$
      \frac{1}{|\text{response}|} \sum_{a \in \text{response} } |p_{\text{sample} }(a) - p_{\text{learner} }(a)|
      $$
    • 这些指标使博客能够捕捉到最坏情况的 Token 差异以及响应内的平均差异水平
    • 博客在不同设置下为相同提示的响应计算它们,以隔离特定因素的影响
Visualization(可视化)
  • 博客使用右侧显示的可视化格式呈现这两个指标
    • 这是一个用于解释图的说明性示例

Larger Parallelism Difference, Larger Max Gap(并行性差异越大,Max Gap 越大 )

  • 博客观察到 Sampler 和 Learner 之间的并行性差异对 Max Mismatch 指标有显著贡献
  • 理解:这里是说因为 Sampler 和 Learner 是部署在不同的引擎上的,所以各种并行方式也可能不同
Simplest Setting
  • 使用 DAPO-32B 模型,博客从最简单的配置开始:
    • Sampler 在 vLLM 上以 TP1 运行, Learner 使用 FSDP 以 SP1 运行
  • 由于 Sampler 和 Learner 具有相同的并行设置,博客称之为相同并行性(Same Parallelism),其分布差距归因于并行性差异之外的因素
  • 问题 :为什么说这里「Sampler 在 vLLM 上以 TP1 运行, Learner 使用 FSDP 以 SP1 运行」是相同的并行设置?
  • 回答 :先澄清几个缩写:
    • TP1 = Tensor Parallelism degree 1
    • SP1 =(在 FSDP 语境里)Shard/Shard-Parallelism degree 1,也就是把模型参数完整地放到一张卡上,不做任何分片
    • 在两种框架里,“degree=1” 都意味着:
      • 1)整个模型权重 不拆、不复制到多张卡;
      • 2)一张 GPU 就能装下全部参数;
      • 3)不需要任何跨卡通信来维护参数一致性。
    • 因此,虽然一个叫 TP、一个叫 SP,但它们的“并行粒度”相同(都是“单卡单副本”)
      • 既然两边都只做 degree=1,就称它们为 Same Parallelism
Adding Tensor Parallelism
  • 为了研究 TP 差异的影响,博客将 Sampler 从 TP1 改为 TP2,同时保持 Learner 在 SP1(Different TP)
  • 如图 7 左图所示,随着并行性差异的增加,具有高 Max Mismatch(> 0.5)的响应数量增加
  • 相同并行性情况仅产生一个这样的响应,而不同 TP 将其增加到两个
  • 图 7:相同一组提示在不同并行性下的 Max Mismatch
  • 问题:为什么图 7 的第 1 和第 2 两张图中的 Different TP 显示的分布结果不一致?
Adding Sequence Parallelism
  • 为了研究 Ulysses 序列并行差异的影响,博客将 Learner 从 SP1 改为 SP8(不同 TP 和 SP)
  • 如图 7 中图所示,额外的 SP 差异将高 Max Mismatch 的数量从两个增加到两位数
Disentangling Parallelism and Sharding(解耦)
  • 如图 8 左下图所示,对于相似的分布式世界大小(例如 8 个设备),在 Learner 中使用张量并行(TP8)与 TP2 Sampler 产生的 Mismatch ,比在使用序列并行(SP8)的 Learner 与 TP2 Sampler 产生的 Mismatch 要小
  • 博客假设这是因为 TP8 Learner 与 TP2 Sampler 之间的实现差异,比 SP8 Learner 与 TP2 Sampler 之间的实现差异要小
    • 这强化了博客的发现:最小化 Sampler 和 Learner 之间的并行性差异能持续减小差距
  • 然后,博客测量了在 Learner 和 Sampler 中使用相同张量并行时的 Max Mismatch ,记为相同并行性(TP2)和相同并行性(TP4)
    • 与最简单设置不同,这两种配置在多个设备上共享模型计算,因此更具可扩展性
    • 如图 8 中图和右图所示,相同并行性(TP2)和相同并行性(TP4)只有少量响应具有高 Max Mismatch (> 0.5)
      • 这表明在 Sampler 和 Learner 中使用相同的方式分片模型有助于减少 Mismatch ,应该是更可取的
  • 图 8:相同一组提示在各种并行性下的 Max Mismatch
Mean Mismatch and KL
  • 尽管博客在 Max Mismatch 上观察到一致的模式,但值得一提的是,博客没有在这些配置的平均 Mismatch/KL 散度上观察到任何显著差异

Longer Response, Larger Max Gap(响应越长,Max Gap 越大)

  • 博客的实验一致表明,生成长度越长的序列会导致越大的 Max Mismatch ,而平均 Mismatch 受影响较小
    • 注意:这里的 平均 Mismatch 并不是按照 Token 做归一化的!
  • 博客使用 DAPO-32B 和 Polaris-7B 模型消融了序列长度的影响
  • 图 9:
    • 左图:不同响应长度的 Max Mismatch
    • 右图:不同响应长度的平均 Mismatch
    • 注:棕色表示 DAPO-32B;紫色表示 Polaris-7B 的结果
  • 如图 9 所示
    • 限制为 20K Token 的响应比限制为 4K Token 的响应表现出更高的 Max Mismatch
    • 相比之下,平均 Mismatch 在两种设置下保持相似
    • 这表明较长的序列为单个大的概率差异提供了更多机会,即使每个 Token 的平均差异保持稳定
  • 为了验证这种效应是由序列长度驱动的,而不是生成的 Token 总数,博客进行了一个对照实验,比较单批 20K-Token 响应与多批(5 个)独立的 4K-Token 响应(针对同一组提示)
  • 图 10:
    • 左图:在相似 Token 数量下,不同响应长度的 Max Mismatch
    • 右图:不同长度响应的 Max Mismatch
    • 注:棕色表示 DAPO-32B;紫色表示 Polaris-7B 的结果
  • 如图 10 左图所示
    • 生成多个较短响应(5×4K)与单个 4K-Token 响应相比,仅导致 Max Mismatch 适度增加
    • 但一个连续的 20K-Token 响应产生的 Mismatch 比两者都要大得多
    • 这证实了差异由于序列的连续长度而加剧
  • 有趣的是,博客观察到 Mismatch 随着生成的进行而累积:
    • 一个 20K-Token 响应中仅前 4K Token 内的 Max Mismatch ,常常超过一个独立的 4K-Token 响应的 Max Mismatch
    • 这表明 Sampler 和 Learner 的内部状态在长生成上下文中越来越发散

Altering Sampler Alone, Gap Still There(仅改变 Sampler 时,差距仍然存在)

  • 最后,博客研究了 Sampler 后端本身的选择是否是导致 Mismatch 的主要因素
  • 博客比较了 Sampler 的三种配置:
    • 1)vLLM
    • 2)SGLang
    • 3)启用确定性内核的 SGLang
  • 结果表明,仅 Sampler 后端本身没有决定性影响
    • 对于 DAPO-32B 模型,SGLang 产生较小的平均 Mismatch ,而对于 Polaris-7B 模型,vLLM 表现更好(即 vLLM 的平均 Mismatch 更小)
    • 因此,没有单一的 Sampler 后端在所有不同设置中 consistently 占主导地位
  • 图 11:
    • 左图:不同 Sampler 后端的 Max Mismatch
    • 右图:不同 Sampler 后端的平均 Mismatch
    • 注:棕色表示 DAPO-32B;紫色表示 Polaris-7B 的结果
  • 值得注意的是,在没有对齐训练配置的情况下,在 SGLang 中启用确定性采样并没有明显减小差距
    • 这表明 Mismatch 主要源于更深层次的实现差异(例如并行性或数值精度),而不是仅仅来自随机采样

What’s More

  • 还有其他维度可能影响 rollout-training 不匹配,包括 模型类型(例如,Dense vs. MoE,Based vs. Post-trained),提示 数据特征(例如,难度,领域),GPU 硬件 ,以及训练 后端(backend) 的选择
  • 例如,博客相对一致地发现,规模相当(32B 和 30B)的 Dense 模型和 MoE 模型表现出不同程度的 Mismatch ,并且基础模型的 rollout-training Mismatch 比它们的后训练对应物要小
  • 博客正在持续努力,以更深入地理解并更好地利用 rollout-training 不匹配,用于实际的大语言模型后训练。敬请期待!

Discussion

  • 博客特别讨论了博客的修复方法(截断重要性采样,TIS)对 MoE 架构强化学习的潜在影响
  • 博客还强调了 TIS 与最近旨在改进策略更新中重要性采样权重比的工作(例如 GSPO, GMPO)的联系

The gap can be amplified in MoE RL(Gap 在 MoE 强化学习中可能被放大)

  • 虽然博客当前的实验和分析主要集中在 Dense 模型上,但博客相信这种分布差距也存在于 MoE 强化学习中,并且可能更加严重
  • 主要有两个原因:
    • 动态路由:
      • 与 Dense 模型不同,MoE 利用路由器动态激活特定专家
      • 这种路由机制本质上是精度敏感的;即使轻微的数值差异也可能导致显著不同的专家激活
    • 专门优化的内核:
      • MoE 模型通常规模很大,现代推理引擎(例如 vLLM)对 MoE 模型有相比于 Dense 模型独特的优化,这使得后端的数值不一致性更大
  • 总之,这些特性可以显著放大分布不匹配,使得像 TIS 这样的解决方案在 MoE 强化学习中特别有价值

TIS is orthogonal and compatible with existing GxPOs(TIS 与现有的 GxPOs 正交且兼容)

  • 最近的工作通过革新重要性采样权重比的计算来提高策略更新的稳定性
  • 例如,GSPO 在 Sequence-level 别而不是 Token-level 别计算权重比,而 GMPO 计算几何平均值而不是算术平均值
  • 与这些工作正交的是,博客的 TIS 修复解决了根源于系统级别的分布不匹配问题,这是由在 rollout 生成和模型训练中使用的不同计算内核带来的。这种问题广泛存在于采用混合计算设计的强化学习训练框架中
  • 因此,博客的修复可以应用,而不论所使用的具体强化学习算法如何

附录:为什么 TIS 截断是单向的?

  • 详情参见 Intuitions of TIS’s Working Mechanism 小节的讨论

NLP——LLM对齐微调-SimPO

注:本文包含 AI 辅助创作

  • 参考链接:
    • 原始论文:SimPO: Simple Preference Optimization with a Reference-Free Reward, arXiv 20240523 & 20240608 & 20241201, NeurIPS 2024
    • 开源地址:github.com/princeton-nlp/SimPO

Paper Summary

  • TLDR:
    • SimPO 是 DPO 方法的一个改进,通过将奖励函数与生成似然对齐并引入目标奖励间隔(margin),SimPO 无需参考模型即可实现高性能,同时避免了长度偏差的利用
    • SimPO 优化点1(核心设计):使用序列的平均对数概率作为隐式奖励
      • 这种奖励设计能更好地与模型生成过程对齐,并且无需参考模型,从而显著提升了计算和内存效率
    • SimPO 优化点2:在 Bradley-Terry 目标中引入了目标奖励间隔(target reward margin),以鼓励获胜响应和失败响应之间的奖励差距更大,从而进一步提升算法性能
  • 论文实验设置:
    • 论文在多种先进训练配置(包括基础模型和指令调优模型,如 Mistral、Llama 3 和 Gemma 2)中将 SimPO 与 DPO 及其最新变体进行了对比
    • 论文实验基于广泛的聊天式评估基准(包括 AlpacaEval 2、MT-Bench 和 Arena-Hard)
  • 实验结果:SimPO 在不显著增加生成长度的情况下,始终显著优于现有方法
    • SimPO 在 AlpacaEval 2 上比 DPO 高出 6.4 分,在 Arena-Hard 上高出 7.5 分
    • 论文基于 Gemma-2-9B-it 训练的最佳模型在 AlpacaEval 2 上实现了 72.4% 的长度控制胜率,在 Arena-Hard 上实现了 59.1% 的胜率,并在 Chatbot Arena 的 <10B 模型中排名第一(基于真实用户投票)

Introduction and Discussion

  • 从人类反馈中学习对于将 LLM 与人类价值观和意图对齐至关重要 (2021),确保模型具备帮助性、诚实性和无害性 (2021)
  • RLHF (2017, 2023, 2020) 是一种流行的微调方法,用于实现有效的对齐
  • 尽管经典 RLHF 方法 (2023, 2020) 已展现出很好的结果,但其多阶段流程(包括训练奖励模型和优化策略模型以最大化奖励)带来了优化挑战 (2023)
  • 近年来,研究者开始探索更简单的离线算法
    • 直接偏好优化(Direct Preference Optimization, DPO)(2023) 是其中一种代表性方法
    • DPO 通过重新参数化 RLHF 中的奖励函数,直接从偏好数据中学习策略模型,从而避免了显式奖励模型的需求。由于其简洁性和稳定性,DPO 在实际应用中得到了广泛采用
    • 在 DPO 中,隐式奖励通过当前策略模型和监督微调(Supervised Fine-Tuned, SFT)模型对响应的似然比的对数来定义
    • 但这种奖励设计与生成过程中使用的指标(即策略模型生成响应的平均对数似然)并未直接对齐
    • 论文假设这种训练与推理之间的不一致可能导致性能不佳
  • 论文提出 SimPO,一种简单但高效的离线偏好优化算法(如图 1 所示)
  • SimPO算法的核心是将偏好优化目标中的奖励函数与生成指标对齐。SimPO 包含两个主要组件:
    • 1)长度归一化的奖励(a length-normalized reward) ,计算公式为策略模型对响应中所有 token 的平均对数概率:
      $$
      p_{\theta}(y \mid x) = \frac{1}{|y|} \log \pi_{\theta}(y \mid x) = \frac{1}{|y|} \sum_{i=1}^{|y|} \log \pi_{\theta}(y_i \mid x, y_{ < i}).
      $$
    • 2)目标奖励间隔(target reward margin) ,用于确保获胜响应的奖励比失败响应至少高出该间隔值
  • SimPO 具有以下特性:
    • 简洁性(Simplicity) :SimPO 无需参考模型,与 DPO 和其他基于参考的方法相比更轻量且易于实现
    • 显著性能优势(Significant performance advantage) :尽管设计简单,SimPO 显著优于 DPO 及其最新变体(例如最近的无参考目标 ORPO (2024))
      • 这种优势在多种训练配置和广泛的聊天式评估(包括 AlpacaEval 2 (2023, 2024) 和具有挑战性的 Arena-Hard (2024) 基准)中保持一致
      • 与 DPO 相比,SimPO 在 AlpacaEval 2 上提升高达 6.4 分,在 Arena-Hard 上提升高达 7.5 分(如图 1 所示)
    • 最小长度利用(Minimal length exploitation) :与 SFT 或 DPO 模型相比,SimPO 未显著增加响应长度(如表 1 所示),表明其对长度利用的抑制效果显著 (2024, 2023, 2023)

SimPO:简单偏好优化(SimPO: Simple Preference Optimization)

  • 本节首先介绍 DPO 的背景(2.1 节),然后指出 DPO 奖励与生成似然指标之间的不一致性,并提出一种无参考的替代奖励设计以解决该问题(2.2 节)
  • 最后,论文通过在 Bradley-Terry 模型中引入目标奖励间隔项来推导 SimPO 的目标函数(2.3 节)

Background: Direct Preference Optimization(DPO)

  • DPO (2023) 是最流行的偏好优化方法之一
  • 与学习显式奖励模型 (2023) 不同,DPO 通过最优策略的闭式表达式重新参数化奖励函数 \( r \):
    $$
    r(x, y) = \beta \log \frac{\pi_{\theta}(y \mid x)}{\pi_{\text{ref} }(y \mid x)} + \beta \log Z(x), \tag{1}
    $$
    • 其中 \(\pi_{\theta}\) 是策略模型,\(\pi_{\text{ref} }\) 是参考策略(通常是监督微调模型),\(Z(x)\) 是配分函数
    • 通过将这一奖励设计融入 Bradley-Terry (BT) 排序目标 (1952),即 \( p(y_w \succ y_l \mid x) = \sigma(r(x, y_w) - r(x, y_l)) \),DPO 用策略模型而非奖励模型表达偏好数据的概率,从而得到以下目标函数:
      $$
      \mathcal{L}_{\text{DPO} }(\pi_{\theta}; \pi_{\text{ref} }) = -\mathbb{E}_{(x,y_w,y_l) \sim \mathcal{D} } \left[ \log \sigma \left( \beta \log \frac{\pi_{\theta}(y_w \mid x)}{\pi_{\text{ref} }(y_w \mid x)} - \beta \log \frac{\pi_{\theta}(y_l \mid x)}{\pi_{\text{ref} }(y_l \mid x)} \right) \right], \tag{2}
      $$
      • 其中 \((x, y_w, y_l)\) 是来自偏好数据集 \(\mathcal{D}\) 的偏好对,包含提示(prompt)、获胜响应和失败响应

A Simple Reference-Free Reward Aligned with Generation

  • DPO 奖励与生成的不一致性(Discrepancy between reward and generation for DPO)。使用公式 (1) 作为隐式奖励存在以下缺点:
    • 1)训练时需要参考模型 \(\pi_{\text{ref} }\),这会增加内存和计算成本;
    • 2)训练优化的奖励与推理时优化的对数似然之间存在不匹配,而推理过程不涉及参考模型
      • 这意味着在 DPO 中,对于任意三元组 \((x, y_w, y_l)\),满足奖励排序 \( r(x, y_w) > r(x, y_l) \) 并不一定意味着满足似然排序 \( p_{\theta}(y_w \mid x) > p_{\theta}(y_l \mid x) \)(此处 \( p_{\theta} \) 是公式 (3) 中的平均对数似然)
        • 理解:因为奖励排序中包含了 \(\pi_\text{ref}(y|x)\) 在分母上,导致如果 \(\pi_\text{ref}(y_w|x) < \pi_\text{ref}(y_l|x)\) 的话,即使奖励 \(r(x, y_w) > r(x, y_l) \),也可能出现 \( p_{\theta}(y_w \mid x) < p_{\theta}(y_l \mid x) \) 的
      • 实验中,论文观察到仅约 50% 的训练集三元组在 DPO 训练后满足这一条件(如图 4b 所示)
      • 这一发现与近期研究 (2024) 一致,后者发现现有 DPO 训练模型在平均对数似然排序上表现出随机性,即使经过大量偏好优化
  • 长度归一化的奖励设计(Length-normalized reward formulation)
    • 一种解决方案是使用 token 对数概率之和作为奖励,但这会受长度偏差影响(较长序列倾向于具有更低的对数概率)
      • 因此,当 \( y_w \) 比 \( y_l \) 长时,优化对数概率之和作为奖励会迫使模型人为提高较长序列的概率 ,以确保 \( y_w \) 的奖励高于 \( y_l \)
    • 这种过度补偿会增加模型退化的风险。为解决这一问题,论文考虑使用平均对数似然作为隐式奖励 :
      $$
      p_{\theta}(y \mid x) = \frac{1}{|y|} \log \pi_{\theta}(y \mid x) = \frac{1}{|y|} \sum_{i=1}^{|y|} \log \pi_{\theta}(y_i \mid x, y_{ < i}). \tag{3}
      $$
      • 注:这里的 \(|y|\) 表示队列长度
      • 这一指标常用于 Beam Search (2012, 2016) 和大语言模型中的多项选择任务 (2020, 2021, 2023)
      • 自然地,论文考虑用公式 (3) 中的 \( p_{\theta} \) 替换 DPO 的奖励设计,使其与指导生成的似然指标对齐。这产生了长度归一化的奖励:
        $$
        r_{\text{SimPO} }(x, y) = \frac{\beta}{|y|} \log \pi_{\theta}(y \mid x) = \frac{\beta}{|y|} \sum_{i=1}^{|y|} \log \pi_{\theta}(y_i \mid x, y_{ < i}), \tag{4}
        $$
        • 其中 \(\beta\) 是控制奖励差异缩放的常数
        • 问题: \(\beta\) 相当于是类似温度系数?
      • 论文发现奖励的长度归一化至关重要;
        • 从奖励设计中移除长度归一化项会导致生成长度更长但质量更低的序列(详见 4.4 节)
  • 这种奖励设计消除了对参考模型的需求 ,与依赖参考的算法相比提升了内存和计算效率

The SimPO Objective

  • 目标奖励间隔 (Target reward margin). :
    • 论文在 Bradley-Terry 目标函数中引入了一个目标奖励间隔项 \(\gamma > 0\),用于确保获胜响应 \(r(x,y_w)\) 的奖励至少比失败响应 \(r(x,y_l)\) 的奖励高出 \(\gamma\):
      $$
      p(y_w \succ y_l \mid x) = \sigma \left( r(x,y_w) - r(x,y_l) - \gamma \right). \tag{4}
      $$
    • 类别之间的间隔已知会影响分类器的泛化能力 (2012; 1995)
      • 在标准训练设置中,随着目标间隔的增加,泛化能力通常会提升
    • 在偏好优化中,两个类别分别是同一输入的获胜和失败响应
    • 实践中,论文观察到生成质量最初会随着目标间隔的增加而提升,但当间隔过大时,质量会下降(见第 4.3 节)
    • DPO 的一个变体 IPO (2023) 也提出了类似 SimPO 的目标奖励间隔,但其完整目标函数的效果不如 SimPO(见第 4.1 节)
  • 目标函数 (Objective).
    • 最后,论文将公式 (4) 代入公式 (5),得到 SimPO 的目标函数:
      $$
      \mathcal{L}_{\text{SimPO} }(\pi_\theta) = -\mathbb{E}_{(x,y_w,y_l)\sim\mathcal{D} } \left[ \log \sigma \left( \frac{\beta}{|y_w|} \log \pi_\theta(y_w|x) - \frac{\beta}{|y_l|} \log \pi_\theta(y_l|x) - \gamma \right) \right]. \tag{5}
      $$
    • 总结来说,SimPO 采用了一种与生成指标直接对齐的隐式奖励公式,无需参考模型
    • 此外,它还引入了目标奖励间隔 \(\gamma\) 来帮助区分获胜和失败响应
    • 在附录 F 中,论文提供了 SimPO 和 DPO 的梯度分析,以进一步理解两种方法的差异
  • 无需 KL 正则化即可防止灾难性遗忘 (Preventing catastrophic forgetting without KL regularization).
    • 尽管 SimPO 没有施加 KL 正则化,但论文发现以下实际因素的组合可以确保从偏好数据中有效学习,同时保持泛化能力,从而使得与参考模型的 KL 散度在实验中保持较低水平。这些因素包括:
      • (1) 较小的学习率
      • (2) 覆盖多样领域和任务的偏好数据集
      • (3) LLM 从新数据中学习而不遗忘先验知识的内在鲁棒性
    • 论文在第 4.4 节中展示了 KL 散度的实验结果

Experimental Setup

Models and training settings

  • 论文使用两个模型家族进行偏好优化:Llama-3-8B 和 Mistral-7B,分别在基础(Base)和指令微调(Instruct)两种设置下进行实验
    • 本节的目标是理解 SimPO 与其他偏好优化方法在不同实验设置下的性能表现
    • 论文的最强模型基于 Gemma-2-9B(Instruct setup),并使用更强的奖励模型 RLHFlow/ArmoRM-Llama3-8B-v0.1(见表 1)
    • 论文将在附录 J 中展示并讨论这些结果
  • 对于基础设置(Base setup) :论文遵循 Zephyr(2023)的训练流程
    • 首先,论文在 UltraChat-200k 数据集上训练基础模型(如 mistralai/Mistral-7B-v0.1 或 meta-llama/Meta-Llama-3-8B),得到 SFT 模型
    • 然后,论文使用 UltraFeedback 数据集对 SFT 模型进行偏好优化
      • 这一设置提供了高度透明性 ,因为 SFT 模型是基于开源数据训练的
  • 对于指令微调设置(Instruct setup) :论文使用现成的指令微调模型(如 meta-llama/Meta-Llama-3-8B-Instruct 或 mistralai/Mistral-7B-Instruct-v0.2)作为 SFT 模型
    • 这些模型经过广泛的指令微调过程,比基础设置中的 SFT 模型更强大且更鲁棒
    • 但它们的 RLHF 过程未公开,因此透明度较低
    • 为了缓解 SFT 模型与偏好优化过程之间的分布偏移,论文按照(2023)的方法生成偏好数据集,使指令微调设置更接近在线策略(on-policy)设置
    • 具体来说,论文使用 UltraFeedback 数据集中的提示,并用 SFT 模型重新生成偏好对 \((y_w, y_l)\)
    • 对于每个提示 \(x\),论文以采样温度 0.8 生成 5 个响应,并使用 llm-blender/PairRM(2023)对响应评分,选择得分最高的作为 \(y_w\),最低的作为 \(y_l\)
    • 论文仅进行单轮数据生成,而非迭代生成(2023)
      • 注解:论文还尝试使用更强的奖励模型 RLHFlow/ArmoRM-Llama3-8B-v0.1(2024)对生成的数据排序,这显著提升了性能(见附录 H 和附录 J)(这是论文 Gemma 2 实验中使用的奖励模型)
  • 总结来说,论文共有四种设置:Llama-3-Base、Llama-3-Instruct、Mistral-Base 和 Mistral-Instruct
    • 这些配置代表了当前的最先进水平,使论文的模型在多个排行榜上名列前茅
    • 论文鼓励未来研究采用这些设置,以便更公平地比较不同算法
    • 此外,论文发现超参数调优对所有离线偏好优化算法(包括 DPO 和 SimPO)的性能至关重要
    • 通常,对于 SimPO,将 \(\beta\) 设为 2.0 到 2.5,\(\gamma\) 设为 0.5 到 1.5 ,可以在所有设置中取得良好性能
    • 更多细节请参考附录 B

Evaluation Benchmarks

  • 论文主要使用三个流行的开放式指令遵循基准评估模型:MT-Bench(2023)、AlpacaEval 2(2023)和 Arena-Hard v0.1(2024)
  • 这些基准测试模型在多样化查询中的对话能力,已被社区广泛采用(详见表 2)
    • AlpacaEval 2 包含来自 5 个数据集的 805 个问题
    • MT-Bench 涵盖 8 个类别的 80 个问题
    • Arena-Hard(最新发布的)是 MT-Bench 的增强版,包含 500 个定义明确的技术问题求解查询
  • 论文按照每个基准的评估协议报告分数
    • 对于 AlpacaEval 2,论文报告原始胜率(raw win rate,WR)和长度控制胜率(length-controlled win rate,LC)(28)
      • LC 指标专门设计用于抵抗模型的冗余性
    • 对于 Arena-Hard,论文报告相对于基线模型的胜率(WR)
    • 对于 MT-Bench,论文使用 GPT-4 和 GPT-4-Preview-1106 作为评判模型,报告平均 MT-Bench 分数
      • 相对 GPT-4,GPT-4-Preview-1106 生成的参考答案和评判的精确率更高
    • 解码细节请参考附录 B
  • 论文还评估了 Huggingface Open Leaderboard 基准(2023)的下游任务,更多细节见附录 C

Baselines

  • 论文将 SimPO 与其他离线偏好优化方法进行比较(见表 3)
    • RRHF(2023)和 SLiC-HF(2023)是排序损失
      • RRHF 使用长度归一化的对数似然,类似于 SimPO 的奖励函数
      • SLiC-HF 直接使用对数似然并包含 SFT 目标
    • IPO(2023)是一种理论 grounded 的方法,避免了 DPO 的假设(即点奖励可以替代成对偏好)
    • CPO(2024)使用序列似然作为奖励,并与 SFT 目标联合训练
    • KTO(2024)从非配对偏好数据中学习
    • ORPO(2024)引入了一种无需参考模型的奇数比项,直接对比获胜和失败响应,并与 SFT 目标联合训练
      • ORPO 可以直接在偏好数据上训练而无需 SFT 阶段
      • 为公平比较,论文从与其他基线相同的 SFT 检查点开始训练 ORPO,这比从基础检查点开始效果更好
    • R-DPO(2024)是 DPO 的改进版,增加了防止长度利用的正则项
    • 论文为每个基线方法全面调优超参数并报告最佳性能
  • 论文发现许多 DPO 变体在实证上并未优于标准 DPO (更多细节见附录 B)

Experimental Results

  • 本节展示实验的主要结果,突出 SimPO 在各种基准测试中的优越性能(4.1节),并对以下组件进行深入分析:
    • (1) 长度归一化(4.2节)
    • (2) 边际项 \(\gamma\)(4.3节)
    • (3) SimPO 优于 DPO 的原因(4.4节)
    • 除非另有说明,消融研究均在 Mistral-Base 设置下进行

Main Results and Ablations

  • SimPO 一致且显著地优于现有偏好优化方法(SimPO consistently and significantly outperforms existing preference optimization methods) :
    • 如表 4 所示,尽管所有偏好优化算法都能提升 SFT 模型的性能,但 SimPO 凭借其简洁性,在所有基准和设置中均取得了最佳整体表现
    • 这些一致且显著的改进凸显了 SimPO 的鲁棒性和有效性
    • 值得注意的是,SimPO 在 AlpacaEval 2 的 LC 胜率上比最佳基线高出 3.6 到 4.8 分
    • 在 Arena-Hard 上,SimPO 同样表现优异,尽管偶尔被 CPO(2024)超越
    • 论文发现 CPO 生成的响应平均比 SimPO 长 50%(见表 10)
    • Arena-Hard 可能因评估中未对长度设限而倾向于更长的生成结果
  • 基准测试质量参差不齐(Benchmark quality varies)
    • 尽管三个基准测试被广泛采用,但论文发现 MT-Bench 在不同方法间的区分度较差
    • 方法间的微小差异可能源于随机性,这可能是由于其评估数据规模有限和单实例评分协议所致
      • 这一发现与(2024)的观察一致
    • 相比之下,AlpacaEval 2 和 Arena-Hard 能更有意义地区分不同方法
    • 论文注意到 Arena-Hard 的胜率显著低于 AlpacaEval 2,表明 Arena-Hard 是一个更具挑战性的基准
      • 尽管论文的模型在基准测试中表现优异,但这些评估存在局限性,包括查询空间受限和基于模型评估的潜在偏差
  • 指令微调设置带来显著性能提升(The Instruct setting introduces significant performance gains)
    • 在所有基准测试中,指令微调设置始终优于基础设置
    • 这一改进可能源于初始化使用的 SFT 模型质量更高,以及这些模型生成的偏好数据质量更高
  • SimPO 的两个关键设计均至关重要(Both key designs in SimPO are crucial)
    • 表 5 展示了 SimPO 每个关键设计的消融结果:
      • (1) 移除公式(4)中的长度归一化(即 w/o LN);
      • (2) 将公式(6)中的目标奖励边际设为 0(即 \(\gamma=0\))
    • 移除长度归一化对结果负面影响最大
      • 作者的检查发现,这会导致生成冗长且重复的模式,显著降低输出质量(见附录 E)
    • 将 \(\gamma\) 设为 0 也会导致性能下降,表明 0 并非最优目标奖励边际
    • 在以下小节中,论文将深入分析这两个设计选择

长度归一化(LN)防止长度利用(Length Normalization (LN) Prevents Length Exploitation)

  • LN 增加所有偏好对的奖励差异,无论其长度如何
    • 公式(5)中的 Bradley-Terry 目标本质上是优化奖励差异 \(\Delta r = r(x,y_w) - r(x,y_l)\),使其超过目标边际 \(\gamma\)
    • 论文研究了从 UltraFeedback 训练集中获胜和失败响应的长度差异 \(\Delta l = |y_w| - |y_l|\) 与学习到的奖励差异之间的关系
    • 论文使用 SFT 模型、SimPO 模型以及未使用长度归一化的 SimPO 模型测量奖励差异(\(r_{\text{SimPO} }\):公式(4))
    • 结果如图 2(a) 所示,论文发现带 LN 的 SimPO 对所有响应对均实现了正的奖励边际,无论其长度差异如何,并且始终比 SFT 模型提高了边际
      • 相比之下,不带 LN 的 SimPO 在获胜响应比失败响应短时会导致负的奖励差异,表明模型对这些实例的学习效果较差
  • 移除 LN 会导致奖励与响应长度强正相关,引发长度利用
    • 图 2(b) 和 2(c) 展示了在保留集上,使用 SimPO 和未使用 LN 的 SimPO 训练的模型的平均对数似然(公式(3)中的 \(p_\theta\))与响应长度的关系
    • 未使用 LN 训练的模型在似然与响应长度之间表现出更强的 Spearman 正相关性,表明其倾向于利用长度偏差生成更长序列(见附录 E)。相比之下,SimPO 的 Spearman 相关系数与 SFT 模型相似(见图 5(a))

The Impact of Target Reward Margin in SimPO

  • \(\gamma\) 对奖励准确性和胜率的影响(Influence of γ on reward accuracy and win rate)
    • 论文研究了 SimPO 中目标奖励边际 \(\gamma\) 对保留集上奖励准确性和 AlpacaEval 2 胜率的影响,结果如图 3(a) 所示。奖励准确性通过偏好对中获胜响应的奖励高于失败响应的比例(即 \(r(x,y_w) > r(x,y_l)\))来衡量。论文观察到,奖励准确性随 \(\gamma\) 的增加而提升,表明强制更大的目标奖励边际能有效提高奖励准确性。然而,AlpacaEval 2 的胜率随 \(\gamma\) 的增加先升后降,说明生成质量并非仅由奖励边际决定
  • \(\gamma\) 对奖励分布的影响(Impact of \(\gamma\) on the reward distribution.)
    • 论文在图 2(b) 和图 2(c) 中可视化不同 \(\gamma\) 值下学习到的奖励边际 \(r(x,y_w) - r(x,y_l)\) 和获胜响应奖励 \(r(x,y_w)\) 的分布
    • 增加 \(\gamma\) 会使分布趋于平坦,并降低获胜序列的平均对数似然
      • 这最初会提升性能,但最终可能导致模型退化
    • 论文假设在设置 \(\gamma\) 值时,需要在准确逼近真实奖励分布和保持良好校准的似然之间进行权衡
      • 这一平衡的进一步探索留待未来工作

In-Depth Analysis of DPO vs. SimPO

  • 本节论文从以下方面比较 SimPO 和 DPO:
    • (1) 似然-长度相关性
    • (2) 奖励公式
    • (3) 奖励准确性
    • (4) 算法效率
    • 论文证明 SimPO 在奖励准确性和效率上优于 DPO
  • DPO 奖励隐含地促进长度归一化(DPO reward implicitly facilitates length normalization)
    • 尽管 DPO 的奖励表达式:
      $$ r(x,y) = \beta \log \frac{\pi_\theta(y|x)}{\pi_{\text{ref} }(y|x)}$$
      • 该表达式(排除配分函数)没有显式的长度归一化项,但策略模型与参考模型之间的对数比可以隐式抵消长度偏差
    • 如表 6 和图 4(a) 所示,使用 DPO 降低了平均对数似然与响应长度之间的 Spearman 相关系数 ,但与 SimPO 相比仍表现出更强的正相关性
      • 注意这一相关性并未完全反映生成长度。尽管 DPO 显示出更强的相关性,但其生成响应的长度与 SimPO 模型相当甚至略短。更多细节见附录 E
  • DPO 奖励与生成似然不匹配(DPO reward mismatches generation likelihood)
    • DPO 的奖励公式为:
      $$ r_\theta(x,y) = \beta \log \frac{\pi_\theta(y|x)}{\pi_{\text{ref} }(y|x)}$$
    • 该奖励公式与直接影响生成的平均对数似然度量存在差异:
      $$ p_\theta(y|x) = \frac{1}{|y|} \log \pi_\theta(y|x)$$
    • 如图 4(b) 所示,在 UltraFeedback 训练集中满足 \(r_\theta(x,y_w) > r_\theta(x,y_l)\) 的实例中,近一半的偏好对满足 \(p_\theta(y_w|x) < p_\theta(y_l|x)\)
    • 相比之下,SimPO 直接使用平均对数似然(按 \(\beta\) 缩放)作为奖励表达式,完全消除了这种差异(见图 4(b))
  • DPO 在奖励准确性上落后于 SimPO(DPO lags behind SimPO in terms of reward accuracy)
    • 在图 4(c) 中,论文比较了 SimPO 和 DPO 的奖励准确性,评估它们最终学习到的奖励与保留集上偏好标签的匹配程度
    • SimPO 始终比 DPO 取得更高的奖励准确性,表明论文的奖励设计有助于更好地泛化,从而生成更高质量的响应
  • SimPO 和 DPO 的 KL 散度(KL divergence of SimPO and DPO)
    • 在图 5(a) 中,论文展示了在不同 \(\beta\) 下,使用 DPO 和 SimPO 训练的策略模型与参考模型在保留集获胜响应上的 KL 散度
    • 图 5(b) 展示了相应的 AlpacaEval 2 LC 胜率
    • 尽管 SimPO 未对参考模型应用任何形式的正则化,但其 KL 散度保持在合理较低水平
    • 增加 \(\beta\) 会降低 DPO 和 SimPO 的 KL 散度,其中 DPO 在较高 \(\beta\) 值时下降更明显
    • 在此特定设置(Mistral-base)中,图 5(b) 显示较小的 \(\beta\) 可以提升 AlpacaEval 2 性能,尽管 KL 散度更高
      • 论文观察到在某些设置(如 Llama-3-Instruct)中,较大的 \(\beta\)(如 \(\beta=10\))会带来更好的性能
      • 论文假设当参考模型较弱时,严格约束策略模型可能无益
    • 需要注意的是,尽管在适当调参下论文未观察到训练崩溃或退化,但 SimPO 理论上可能在没有显式正则化的情况下导致奖励破解(reward hacking) ,此时模型可能损失很低但生成结果退化
  • SimPO 比 DPO 更节省内存和计算资源(SimPO is more memory and compute-efficient than DPO)
    • SimPO 的另一优势是其高效性,因为它不使用参考模型
    • 图 5(c) 展示了在 Llama-3-Base 设置下,使用 8xH100 GPU 时 SimPO 和 DPO 的总体运行时间和单 GPU 峰值内存使用情况
    • 与普通 DPO 实现相比,SimPO 通过消除参考模型的前向传递,减少了约 20% 的运行时间和 10% 的 GPU 内存使用
      • 如果将参考模型的前向传递与实际偏好优化分离,DPO 也能实现与 SimPO 相当的内存效率,但这一实现并非标准做法

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RLHF

  • RLHF 是一种将 LLM 与人类偏好和价值观对齐的技术(2017; 2019; 2022)
  • 经典的 RLHF 流程通常包含三个阶段:
    • 监督微调(2021; 2023)
    • 奖励模型训练(2023; 2024)
    • 策略优化(2017)
  • 近端策略优化(Proximal Policy Optimization, PPO)(2017)是 RLHF 第三阶段广泛使用的算法
  • RLHF 框架还被应用于多种任务,例如减少毒性(2023)、确保安全性(2023)、提升帮助性(2024)以及增强模型推理能力(2024)
  • 近期研究(2023)指出,RLHF 从数据收集到模型训练的整个流程存在挑战
  • 此外,RLHF 可能导致模型生成冗长输出(2023; 2024),这一问题也引发了广泛关注

Offline vs. Iterative Preference Optimization

  • 由于在线偏好优化算法复杂且难以优化(2023),研究者开始探索更高效的离线算法
  • 直接偏好优化(Direct Preference Optimization, DPO)(2023)是一个典型代表
  • 但 DPO 缺乏显式的奖励模型,限制了其从最优策略中采样偏好数据的能力
  • 为解决这一问题,研究者尝试通过训练监督微调策略(2023)或结合拒绝采样的改进策略(2024)生成偏好数据,使策略能够从最优策略生成的数据中学习
  • 进一步研究将这种方法扩展到迭代训练框架(2024; 2024)
  • 论文专注于离线设置 ,避免任何迭代训练过程

Preference Optimization Objectives

  • 除 DPO 外,研究者还提出了多种偏好优化目标
    • 排序目标支持对多个实例进行比较(2023; 2024)
  • 另一类研究探索了不依赖参考模型的简化目标(2024),与 SimPO 类似
    • (2024)提出了一种联合优化指令和响应的方法,发现其能有效改进 DPO
    • (2024)专注于在监督微调和对齐模型之间进行后训练外推,以进一步提升模型性能
  • 论文对比了 SimPO 与一系列离线算法,包括 RRHF(2023)、SLiC-HF(2023)、DPO(2023)、IPO(2023)、CPO(2024)、KTO(2024)、ORPO(2024)和 R-DPO(2024),发现 SimPO 在效率和性能上均优于它们
  • 近期 GPO(Generalized Preference Optimization,2024)提出了一个统一不同离线算法的广义偏好优化框架,而 SimPO 可视为其特例

附录 A Limitations

  • 更深入的理论分析(More in-depth theoretical analysis) :
    • 尽管 SimPO 在实验上取得了成功,但仍需更严格的理论分析以全面理解其有效性
    • 此外,SimPO 引入了目标奖励间隔这一超参数,需手动调整
    • 未来工作可探索如何自动确定最优间隔,并提供更理论化的解释
  • 安全性与诚实性(Safety and honesty) :
    • SimPO 旨在通过优化生成质量来提升模型性能,但未显式考虑安全性和诚实性,而这在实际应用中至关重要
    • 未来研究可将安全性和诚实性约束整合到 SimPO 中,确保生成内容既高质量又安全可靠
    • 论文使用的数据集 UltraFeedback 主要关注有帮助性,未来的研究可以做更全面的研究(如考虑利用大规模偏好数据和更强调安全性的评估基准)
    • 尽管如此,作者观察到在数据集 TruthfulQA 上,SimPO 方法一致优于表9中的其他方法,这显示了 SimPO 在安全性对齐方面的潜力
  • 数学任务性能下降(Performance drop on math) :
    • 论文发现偏好优化算法通常会降低下游任务性能 ,尤其是在数学推理密集型(reasoning-heavy)任务(如 GSM8K)上(正如表9所展示的那样)
    • SimPO 的表现有时与 DPO 相当或更差
      • 这可能与训练数据集的选择、超参数设置或评估模板不匹配有关
      • 一种解释是偏好优化目标可能在提升偏好序列的似然上没有效果(尽管提升了奖励间隔(Reward margin))
    • (2024)首次观察到这一现象,并指出这可能妨碍从修改一个 Token 就发生翻转(flip)的数学偏好对中学习(比如将 2 + 2 = 4 修改为 2 + 2 = 5)
      • 该工作提出通过添加参考模型校准的监督微调损失来缓解问题
      • 未来工作可将此策略整合到 SimPO 中,以提升数学推理任务的性能

附录 B Implementation Details

  • 论文发现超参数调优对偏好优化方法的性能至关重要,但其重要性在先前研究中可能被低估,导致基线结果未达最优
    • 为确保公平对比,论文为所有方法进行了全面的超参数调优
  • 通用训练超参数(General training hyperparameters) :
    • 在基础训练设置中,论文使用 UltraChat-200k 数据集(2023)训练监督微调模型
      • 学习率为 2e-5
      • 批量大小为 128
      • 最大序列长度为 2048
      • 采用余弦学习率调度
      • 预热步数为 10%
      • 训练 1 个 epoch
      • 所有模型均使用 Adam 优化器(2014)
    • 在偏好优化阶段,论文通过初步实验搜索批量大小(32、64、128)和训练周期(1、2、3)
      • 作者发现批量大小为 128 和单周期(epoch=1)训练通常能带来最佳结果
      • 因此,论文将这些值固定用于所有偏好优化实验
      • 此外,设置最大序列长度为 2048,并在偏好优化数据集上应用 10% 预热步数的余弦学习率调度
  • 方法特定超参数(Method-specific training hyperparameters) :
    • 论文注意到不同偏好优化方法的最佳学习率差异较大 ,且显著影响基准性能
    • 因此,论文为每种方法单独搜索学习率(3e-7、5e-7、6e-7、1e-6)
    • 表 7 展示了基线方法的超参数搜索范围
    • 表 8 列出了 SimPO 在各设置下的超参数值
  • 解码超参数(Decoding hyperparameters) :
    • 在 AlpacaEval 2 中,论文采用采样解码策略
      • 温度设置为 0.7(Mistral-Base)
      • 0.5(Mistral-Instruct)
      • 0.9(Llama 3)
    • 在 Arena-Hard 中,所有设置和方法均使用贪婪解码
    • 在 MT-Bench 中,遵循官方解码配置,为不同类别定义不同的采样温度
  • 计算环境(Computation environment) :
    • 论文所有训练实验均在 8 块 H100 GPU 上完成,基于 alignment-handbook 代码库实现

附录 C:Downstream Task Evaluation

  • 为了研究偏好优化方法如何影响下游任务性能,论文在 Huggingface Open Leaderboard (2023) 列出的多个任务上评估了不同方法训练的模型
  • 这些任务包括 MMLU (2020)、ARC (2018)、HellaSwag (2019)、TruthfulQA (2022)、Winograd (2012) 和 GSM8K (2021)
  • 论文遵循既定的评估协议,所有模型的结果如表 9 所示
    • 总体而言,论文发现偏好优化对不同任务的影响各不相同
  • 知识保留度高,损失小(Knowledge is largely retained with a small loss) :
    • 与监督微调(Supervised Fine-Tuned, SFT)检查点相比,所有偏好优化方法通常能保持 MMLU 性能,仅有小幅下降
    • 在这方面,SimPO 与 DPO 基本相当
  • 阅读理解和常识推理能力提升(Reading comprehension and commonsense reasoning improves) :
    • 对于 ARC 和 HellaSwag,偏好优化方法通常比 SFT 检查点表现更好
    • 一种假设是偏好优化数据集中包含与这些任务类似的提示,这有助于模型更好地理解上下文,提升阅读理解和常识推理能力
  • 真实性提高(Truthfulness improves) :
    • 令人惊讶的是,论文发现偏好优化方法能持续提升 TruthfulQA 性能,某些情况下提升幅度超过 10%
    • 同样,论文假设偏好数据集中包含强调真实性的实例,这有助于模型更好地理解上下文并生成更真实的回答
  • 数学性能下降(Math performance drops) :
    • GSM8K 是不同方法间表现波动最大的基准
    • 值得注意的是,除了 ORPO,几乎所有方法在一个或多个设置中都会导致性能下降
      • 论文假设 ORPO 能保持性能主要是因为其监督微调损失起到了调节作用
    • (2024) 的研究表明,在偏好优化目标中加入基于参考模型的监督微调损失可以有效解决这一问题,并保持数学任务上的性能
  • 总体而言,下游性能的模式难以确定
    • 由于使用了不同的预训练模型、偏好优化数据集和目标,进行全面分析较为困难
    • 近期研究表明,基于梯度的方法可能有助于找到与下游任务相关的数据 (2024),未来或可扩展用于理解偏好优化的影响
    • 作者认为,未来需要对偏好优化如何影响下游性能进行更严谨和全面的研究

附录 D:AlpacaEval 2 和 Arena-Hard 的标准差 (Standard Deviation of AlpacaEval 2 and Arena-Hard)

  • 论文在表 10 中展示了 AlpacaEval 2 的标准差和 Arena-Hard 的 95% 置信区间
    • 所有指标均合理,未出现显著异常或不稳定情况

附录 E:Generation Length Analysis

  • 长度归一化减少生成长度并提升生成质量(Length normalization decreases generation length and improves generation quality)
    • 从 SimPO 目标中移除长度归一化(Length Normalization, LN)会得到类似于对比偏好优化(Contrastive Preference Optimization, CPO)(2024) 的方法
      • CPO 在机器翻译中表现优异
    • 然而,如果没有监督微调损失 ,未使用长度归一化的奖励最大化目标在偏好优化中效果较差
    • 论文分析了在 AlpacaEval 2 和 Arena-Hard 上使用或不使用长度归一化训练的模型的生成长度
    • 如图 6 所示:
      • 长度归一化显著减少了生成长度,降幅高达 25%
      • 尽管生成长度更短,但使用长度归一化的模型在两个基准上的胜率显著更高
      • 这表明长度归一化能有效控制生成响应的冗余性,同时提升生成质量
  • 长度并非生成质量的可靠指标(Length is not a reliable indicator of generation quality)
    • 论文进一步分析了不同方法训练的模型在 AlpacaEval 2 和 Arena-Hard 上的生成长度,如表 10 所示
    • 总体而言,论文发现没有一种方法能在所有设置中一致生成更长或更短的响应
    • 此外,某些方法可能生成更长的响应,但未必在基准上取得更高的胜率
    • 这表明生成响应的长度并不能可靠反映生成质量
  • SimPO 对响应长度的利用最小化(SimPO demonstrates minimal exploitation of response length.)
    • 论文观察到,在 Llama-3-Instruct 案例中 ,SimPO 的生成长度比 DPO 更短 ,但在其他设置中生成长度更长
      • 在 AlpacaEval 2 上最多长出 26%
      • 在 Arena-Hard 上仅长约 5%
    • 可以说,生成长度很大程度上取决于评估基准
    • 更强的指标是 SimPO 在 AlpacaEval 2 上的长度控制胜率始终高于原始胜率 ,表明其对响应长度的利用最小化

附录 F:Gradient Analysis

  • 作者检查了 SimPO 和 DPO 的梯度,以理解它们对训练过程的不同影响:
    $$
    \nabla_{\theta}\mathcal{L}_{\text{SimPO} }(\pi_{\theta})=-\beta\mathbb{E}_{(x,y_{w},y_{l})\sim\mathcal{D} }\left[s_{\theta}\cdot\left(\underbrace{\frac{1}{|y_{w}|}\nabla_{\theta}\log\pi_{\theta}(y_{w}|x)}_{\text{increase likelihood on } y_w }-\underbrace{\frac{1}{|y_{l}|}\nabla_{\theta}\log\pi_{\theta}(y_{l}|x)}_{\text{decrease likelihood on } y_l}\right)\right], \\
    \nabla_{\theta}\mathcal{L}_{\text{DPO} }(\pi_{\theta})=-\beta\mathbb{E}_{(x,y_{w},y_{l})\sim\mathcal{D} }\left[d_{\theta}\cdot\left(\underbrace{\nabla_{\theta}\log\pi_{\theta}(y_{w}|x)}_{\text{increase likelihood on } y_w }-\underbrace{\nabla_{\theta}\log\pi_{\theta}(y_{l}|x)}_{\text{decrease likelihood on } y_l }\right)\right],
    $$
  • 其中:
    $$
    s_{\theta}=\sigma\left(\frac{\beta}{|y_{l}|}\log\pi_{\theta}(y_{l}|x)-\frac{\beta}{|y_{w}|}\log\pi_{\theta}(y_{w}|x)+\gamma\right), \quad d_{\theta}=\sigma\left(\beta\log\frac{\pi_{\theta}(y_{l}|x)}{\pi_{\text{ref} }(y_{l}|x)}-\beta\log\frac{\pi_{\theta}(y_{w}|x)}{\pi_{\text{ref} }(y_{w}|x)}\right)
    $$
    • 分别表示 SimPO 和 DPO 中的梯度权重
  • 可以看出差异有两方面:
    • (1) 比较梯度权重 \(s_{\theta}\) 和 \(d_{\theta}\)
      • SimPO 的梯度权重 \(s_{\theta}\) 不涉及参考模型,且具有直观解释:对于策略模型错误地为 \(y_l\) 分配比 \(y_w\) 更高似然的样本,权重会更高;
    • (2) 比较梯度更新
      • SimPO 对 \(y_l\) 和 \(y_w\) 的梯度进行了长度归一化,而 DPO 没有
      • 这与实证发现 (2024) 一致:DPO 可能利用数据中的长度偏差 ,更长的序列会因包含更多 token 而在 DPO 中获得更大的梯度更新 ,从而主导训练过程

附录 G:Qualitative Analysis

  • 论文在图 7 和图 8 中分别展示了 Mistral-Base 和 Mistral-Instruct 在 AlpacaEval 2 和 Arena-Hard 上的胜率热图
  • 基于此分析,论文在 AlpacaEval 2 上展示了 SimPO 模型、DPO 模型和基线模型 GPT-4-Preview-1106 生成的响应示例
  • 比较 SimPO 与 DPO
    • 在图 9 和图 10 中,论文展示了一个案例,其中 Mistral-Base-SimPO 生成的答案比 Mistral-Base-DPO 结构更好
      • 给定问题“如何判断一个人对对话是真正感兴趣还是仅仅出于礼貌?”,DPO 模型生成了一长串要点,使得不同点之间的关系难以理解
      • 相比之下,SimPO 模型生成了一个结构良好的答案,首先对不同行为进行了高层分类,随后为每个类别提供了详细建议,使得答案更易读和理解
  • 比较使用 SimPO 训练的 Instruct 模型与 Base 模型 :
    • 在图 11 中,论文展示了一个案例,其中 Llama-3-Instruct 生成的答案比基线模型以及 Llama-3-Base-SimPO 模型更详细且格式更好
    • 对于问题“阿根廷人说什么语言?”,Llama-3-Base-SimPO 仅给出了非常简短的答案
    • GPT-4-Preview-1106 的答案更详细,解释了阿根廷西班牙语与标准西班牙语的区别,但格式不够清晰,解析稍难
    • Llama-3-Instruct-SimPO 提供了详细且格式良好的答案,更易阅读和理解,同时提供了足够的细节

附录 H:Llama-3-Instruct v0.2 (Jul 7, 2024))

  • 本节论文更新了 Llama-3-Instruct 的实验设置,主要改进是使用更强的奖励模型(reward model)来标注生成的偏好数据
  • 更强的奖励模型显著提升效果(Enhanced reward model yields significantly better results)
    • 在之前的版本中,论文使用 PairRM(2023)作为奖励模型对生成的候选回答进行排序
    • 表 12 的结果显示,将排序数据的奖励模型从 PairRM 替换为 ArmoRM(2024)后,模型性能显著提升
    • 这凸显了高质量偏好优化数据对性能的重要性
    • SimPO 在 AlpacaEval 2 上的长度控制胜率(LC win rate)达到 53.7%,在 Arena-Hard 上达到 36.5%,分别比前一版本提升了 9.0 和 2.7 个百分点
  • 论文在 Llama-3-Instruct v0.2 设置下为 SimPO 使用了以下超参数:
    • \(\beta=10\) 和 \(\gamma=3\)
    • 其他超参数(如学习率、批量大小、最大序列长度)与原始 Llama-3-8B-Instruct 设置保持一致
  • 强大的 SFT 模型和高质量策略数据缩小了算法差异(Strong SFT model and high-quality policy data diminish algorithm differences)
    • 当使用像 Llama-3-8B-Instruct 这样强大的 SFT 模型,并且偏好优化数据质量提高时,不同算法之间的差异变得不那么明显
    • 例如,DPO 在原始胜率(raw win rate)上与 SimPO 表现接近,而 DPO、IPO 和 R-DPO 在 Arena-Hard 上的原始胜率也相当
    • 然而,SimPO 仍保持优势,生成的序列更短,因此在 AlpacaEval 2 上的长度控制胜率显著更高
  • 下游任务表现更强(Stronger downstream task performance)
    • v0.2 版本在各种目标下的下游任务中也表现出更好的性能
    • 不过,DPO、IPO、R-DPO 和 SimPO 在数学推理密集型任务(如 GSM8K)上仍然存在性能下降
    • 相比之下,包含 SFT 组件的目标在数学任务上保持了更好的表现
  • 在 SimPO 中加入 SFT 正则化(Incorporating SFT regularization in SimPO)
    • 一些无需参考模型(reference-free)的算法(如 RRHF(2023)、SLiC-HF(2023)、CPO(2024)和 ORPO(2024))在其目标中使用了 SFT 正则化
    • SFT 正则化是防止奖励破解(reward hacking)的有效方法,可以确保模型在保持低损失的同时不会生成质量下降的结果
    • 论文也在 SimPO 中尝试加入 SFT 损失,得到以下目标函数:
      $$
      \mathcal{L}_{\text{SimPO w/ SFT} }(\pi_{\theta})=-\mathbb{E}_{(x,y_{w},y_{l})\sim\mathcal{D} }\left[\log\sigma\left(\frac{\beta}{|y_{w}|}\log\pi_{\theta}(y_{w}|x)-\frac{\beta}{|y_{l}|}\log\pi_{\theta}(y_{l}|x)-\gamma\right)\color{red}{+\lambda\log\pi_{\theta}(y_{w}|x)}\right].
      $$
    • 如表 14 所示,加入 SFT 正则化后,模型在 AlpacaEval 2 上的性能有所下降
    • 但论文发现 SFT 正则化对某些任务(如 GSM8K)有显著帮助(见表 12)
    • 这些结果表明,SFT 在偏好优化中的作用可能因训练设置和任务性质而异
    • 更全面的研究留待未来进行

附录 I:Applying Length Normalization and Target Reward Margin to DPO (Jul 7, 2024))

  • 论文发布后,有研究者提出疑问:SimPO 的两个关键设计(长度归一化(length normalization)和目标奖励间隔(target reward margin))是否也能提升 DPO 的效果?为此,论文推导了以下两个目标函数:
    $$
    \mathcal{L}_{\text{DPO w/ LN} }(\pi_{\theta};\pi_{\text{ref} })=-\mathbb{E}_{(x,y_{w},y_{l})\sim\mathcal{D} }\left[\log\sigma\left(\frac{\beta}{|y_{w}|}\log\frac{\pi_{\theta}(y_{w}\mid x)}{\pi_{\text{ref} }(y_{w}\mid x)}-\frac{\beta}{|y_{l}|}\log\frac{\pi_{\theta}(y_{l}\mid x)}{\pi_{\text{ref} }(y_{l}\mid x)}\right)\right]. \\
    \mathcal{L}_{\text{DPO w/ }\gamma}(\pi_{\theta};\pi_{\text{ref} })=-\mathbb{E}_{(x,y_{w},y_{l})\sim\mathcal{D} }\left[\log\sigma\left(\beta\log\frac{\pi_{\theta}(y_{w}\mid x)}{\pi_{\text{ref} }(y_{w}\mid x)}-\beta\log\frac{\pi_{\theta}(y_{l}\mid x)}{\pi_{\text{ref} }(y_{l}\mid x)}-\gamma\right)\right].
    $$
    • 直观上,长度归一化可能对 DPO 有帮助,因为尽管 DPO 的奖励设计通过参考模型隐式归一化,但策略模型仍可能从数据中利用长度偏差,导致对较长序列赋予过高的概率
      • 长度归一化可以缓解这一问题
  • 论文使用上述目标训练模型,并与 DPO 和 SimPO 的性能进行比较(见表 15)
  • 结果表明,与 SimPO 不同,长度归一化和目标奖励间隔并不能一致地提升 DPO
  • 具体来说,长度归一化仅在 Mistral-Base 设置中显著提升 DPO 性能(该设置的偏好优化数据存在明显的长度偏差),但在 Mistral-Instruct 设置中无益(因为胜负响应的长度相近)
    • 这可能是因为 DPO 已通过参考模型隐式实现了实例级的目标奖励间隔,如下式所示:
      $$
      \begin{align}
      \mathcal{L}_{\text{DPO} }&= \log\sigma\left(\beta\log\frac{\pi_{\theta}(y_{w}\mid x)}{\pi_{\text{ref} }(y_{w}\mid x)}-\beta\log\frac{\pi_{\theta}(y_{l}\mid x)}{\pi_{\text{ref} }(y_{l}\mid x)}\right) \\
      &= \log\sigma\bigg(\beta\log\pi_{\theta}(y_{w}\mid x)-\beta\log\pi_{\theta}(y_{l}\mid x)-\underbrace{\left(\beta\log\pi_{\text{ref} }(y_{w}\mid x)-\beta\log\pi_{\text{ref} }(y_{l}\mid x)\right)}_{=\gamma_{\text{ref} } }\bigg).
      \end{align}
      $$

附录 J:Applying SimPO to Gemma 2 Models (Sept 16, 2024)

  • Llama-3-SimPO 模型在其他基准测试上的性能下降(Performance degradation on other benchmarks for Llama-3-SimPO checkpoints)
    • 在发布 Llama-3-SimPO 模型后,论文收到大量反馈,指出其在特定能力测试(如 MMLU 和 GSM8K)上的性能下降
    • 为了研究这一问题,论文继续用不同学习率训练 Llama-3-8B-Instruct 模型(见表 16)
    • 论文发现,使用较高的学习率会增强模型在聊天类基准上的表现,但会牺牲 GSM8K 和 MMLU 的性能
      • We evaluate the zero-shot performance of the models on GSM8K and MMLU using the ZeroEval repository which adopts a unified setup
    • 而较低的学习率能略微降低聊天基准的性能,但更好地保留了 GSM8K 和 MMLU 的表现
    • 这表明,在基于强大的指令微调模型继续训练时,需要在聊天基准和其他基准之间权衡
  • 将 SimPO 应用于 Gemma 2 模型呈现不同趋势(Applying SimPO to Gemma 2 models persents a different trend)
    • 论文使用谷歌最新发布的 Gemma-2-9B-it 模型(2024)评估 SimPO
    • 对于训练数据,论文从 UltraFeedback 数据集(2024)中为每个提示生成最多 5 个回答,并使用 ArmoRM 模型(2024)标注偏好
    • 论文将 SimPO 与基于 Gemma-2-9B-it 微调的 DPO 变体进行比较
    • 如表 17 所示,SimPO 在 AlpacaEval 2 和 Arena-Hard 等聊天基准上表现更优,同时保持了模型在 GSM8K 和 MMLU 等任务上的零样本能力
    • 值得注意的是,论文发现微调时调整学习率对模型性能影响很小
    • 这些结果表明,Llama-3 和 Gemma 2 的模型存在内在差异,值得进一步研究
  • Gemma-2-9B-it-SimPO 显著提升了原模型在 Chatbot Arena 的排名(Gemma-2-9B-it-SimPO significantly improved the ranking of the Gemma-2-9B-it model on Chatbot Arena)
    • 在开发阶段,论文仅依赖自动化指标评估模型性能
    • 为了验证这些指标是否与真实用户偏好一致,论文将表现最佳的 Gemma-2-9B-it-SimPO 模型提交至 LMSYS 的 Chatbot Arena 排行榜(2024)
    • 结果显示,论文的模型将原 Gemma-2-9B-it 的排名从第 36 位提升至第 25 位,使其成为截至 2024 年 9 月 16 日用户投票排名最高的 10B 以下模型

NLP——Megatron-LM原始论文解读-第一篇

注:本文包含 AI 辅助创作

  • 参考链接:
    • 官网主页:Megatron Core User Guide
    • GitHub开源地址:github.com/NVIDIA/Megatron-LM
    • Megatron 系列目前公认的三篇核心论文如下,它们分别对应了张量并行、3D 并行 与 序列并行/激活重计算优化 三大阶段:
    • 第一篇:Megatron-LM: Training Multi-Billion Parameter Language Models Using Model Parallelism, arXiv 2019, NVIDIA
      • 核心贡献:提出 张量并行(Tensor Parallelism) ,将 Transformer 的 Attention 头与 FFN 权重按列/按行切分,实现层内模型并行,首次在 GPU 集群上训练出 8.3 B 参数的 GPT-2 模型
    • 第二篇:Efficient Large-Scale Language Model Training on GPU Clusters Using Megatron-LM, SC 2021, NVIDIA
      • 核心贡献:提出 3D 并行(数据 + 张量 + 流水线),并给出 interleaved 1F1B 流水线调度,显著降低流水线气泡;在 3072 块 A100 上训练出 530 B 参数的 GPT-3 级模型,GPU 利用率达到 76 %
    • 第三篇:Reducing Activation Recomputation in Large Transformer Models, MLSys 2023, NVIDIA
      • 核心贡献:提出 序列并行(Sequence Parallelism) 与 选择性激活重计算 ,将激活显存占用再降 3–5 倍,支持更长序列与更大批训练;与 Flash-Attention 思想互补,现已成为 Megatron-Core 默认配置
    • 以上三篇即社区常说的“Megatron 三篇论文”,覆盖了从单层切分、多层多维并行到显存优化的完整技术路线,本文介绍第一篇论文

Paper Summary

  • 整体总结:
    • 本文是 Megatron-LM原始论文解读-第一篇
    • 论文的核心贡献:提出 张量并行(Tensor Parallelism) ,将 Transformer 的 Attention 头与 FFN 权重按列/按行切分,实现层内模型并行,首次在 GPU 集群上训练出 8.3 B 参数的 GPT-2 模型
    • 论文通过对现有 PyTorch Transformer 实现仅进行少量修改来实现模型并行,成功突破了传统的单 GPU 单模型训练的限制
    • 论文在 512 块 NVIDIA V100 GPU 上使用 8 路模型并行高效训练了高达 8.3B 参数的基于 Transformer 的模型,并在整个应用中实现了高达 15.1 PetaFLOPs 的持续性能
    • 论文表明,对于 BERT 模型,随着模型规模的增长,类 BERT 模型中 Layer Normalization 的位置对准确率的提升至关重要
    • 论文研究了模型规模对下游任务准确率的影响,在下游任务上取得了远超现有水平的结果,并在 WikiText103、LAMBADA 和 RACE 数据集上建立了新的最佳结果(SOTA)
    • 非常值得称赞的是:论文开源了论文的代码,以支持未来基于模型并行 Transformer 的研究工作
  • 背景 & 问题提出:
    • Transformer 模型推动了 NLP 技术发展,但内存限制,导致超大型模型的训练难度极大
  • 方法内容:
    • 论文提出了训练超大型 Transformer 模型的技术,并实现了一种简单、高效的层内模型并行(intra-layer model parallel)方法,该方法能够训练具有数十亿参数的 Transformer 模型
    • 本方法不需要新的编译器或库修改,与流水线模型并行(pipeline model parallelism)相互独立且互补,完全可以通过在原生 PyTorch 中插入少量通信操作来实现
  • 论文通过使用 512 个 GPU 训练出高达 8.3B 参数的 Transformer 模型验证了该方法的有效性
    • 与单个GPU基准(可持续 39 TeraFLOPs,达到峰值浮点运算的 30%)相比,论文在整个应用中实现了 15.1 PetaFLOPs 的性能,扩展效率为76%
    • \({39 \times 512 / 1000}{39} \approx 76%\)
  • 为了证明 LLM 能进一步推动技术发展,论文训练了一个与 GPT-2 类似的 8.3B 参数 Transformer 语言模型和一个与 BERT 类似的 3.9B 参数模型
    • 论文发现,对于类 BERT 模型,随着模型规模的增长, Layer Normalization的位置对性能提升至关重要
    • 使用 GPT-2 模型,论文在 WikiText103 数据集和 LAMBADA 数据集上取得了最佳结果
      • WikiText103 数据集:困惑度为 10.8(之前最佳困惑度为 15.8)
      • LAMBADA 数据集:准确率为 66.5%(之前最佳准确率为63.2%)
    • 使用 BERT 模型,论文在在 RACE 数据集上取得了最佳结果
      • RACE 数据集:准确率为 90.9%(之前最佳准确率为 89.4%)

Introduction and Discussion

  • NLP 正在快速发展,部分原因是可用计算资源和数据集规模的增加
    • 丰富的计算资源和数据使得通过无监督预训练(unsupervised pretraining)训练越来越大的语言模型成为可能(2018;2019)
  • 实证证据表明,更大的语言模型在文章补全、问答和自然语言推理等 NLP 任务中更有用(2019;2019)
    • 近期研究显示,在下游自然语言任务上对这些预训练语言模型进行微调(finetuning),可以取得最佳结果(2018;2017;2016;2019b;)
  • 模型规模的增长超出了现代处理器的内存限制,需要额外的内存管理技术,如激活检查点(activation checkpointing)(2016)
    • ADAM 等广泛使用的优化算法(optimization algorithms)需要为每个参数额外分配内存来存储动量(momentum)和其他优化器状态,这限制了可有效训练的模型规模
    • 几种模型并行(model parallelism)方法通过对模型进行分区来克服这一限制,使得权重及其相关的优化器状态无需同时驻留在处理器上,比如:
      • GPipe(2018)和 Mesh-Tensorflow(2018)提供了不同类型的模型并行框架
      • 但它们需要重写模型,并依赖仍在开发中的自定义编译器和框架
  • 论文使用层内模型并行(intra-layer model-parallelism)实现了一种简单高效的模型并行方法
  • 论文利用基于 Transformer 的语言模型的固有结构,实现了一种简单的模型并行方案,该方案能在 PyTorch 中高效训练,无需自定义 C++ 代码或编译器
    • 这种方法与 GPipe(2018)等方法所倡导的基于流水线的模型并行相互独立
  • 为了证明论文方法的可扩展性,论文建立了一个基准:在单个 NVIDIA V100 32GB GPU 上训练 1.2B 参数的模型,可持续 39 TeraFLOPs
    • 这相当于 DGX-2H 服务器中配置的单个 GPU 理论峰值浮点运算的 30%,因此是一个很强的基准
    • 通过 8路 模型并行在 512 个 GPU 上训练 8.3B 参数的模型,论文在整个应用中实现了高达 15.1 PetaFLOPs 的持续性能
      • 与单GPU情况相比,这一扩展效率为76%
    • 图1显示了更详细的扩展结果
  • 为了分析模型规模扩展对准确率的影响:
    • 论文训练了从左到右的 GPT-2(2019)语言模型和 BERT(2018)双向 Transformer,并在多个下游任务上对它们进行了评估
      • 论文发现,现有 BERT 架构会随着规模的增加而导致模型性能下降
      • 论文通过重新排列 Transformer 层中的 Layer Normalization 和残差连接(residual connection)克服了这一挑战,并表明通过这种修改,下游任务在开发集上的结果会随着模型规模的增加而单调提升
    • 论文的模型在 WikiText103 测试集、LAMBADA 的完形填空预测准确率(cloze-style prediction accuracy)和 阅读理解 RACE 数据集上取得了最佳结果
  • 总结来看:论文的贡献如下:
    • 通过对现有 PyTorch Transformer 实现仅进行少量有针对性的修改,实现了一种简单高效的模型并行方法
    • 对模型和数据并行技术进行了深入的实证分析,并证明了在 512 个 GPU 上的扩展效率高达 76%
    • 论文实验表名:对于类 BERT 模型,随着模型规模的增长, Layer Normalization 的位置对准确率的提升至关重要
    • 论文证明:模型规模的扩展会提高 GPT-2(研究到 8.3B 参数)和 BERT(研究到 3.9B 参数)模型的准确率
    • 展示了论文的模型在测试集上取得了最佳结果:WikiText103的困惑度(10.8 ppl)、LAMBADA 的准确率(66.5%)和 RACE 的准确率(90.9%)
    • 开源了论文的代码以及训练和评估流水线,地址为 github.com/NVIDIA/Megatron-LM

Background and Challenges

Neural Language Model Pretraining

  • 预训练语言模型已成为 NLP 研究人员工具包中不可或缺的一部分
    • 利用大型语料库预训练来学习稳健的语言神经表征是过去十年中一个活跃的研究领域
  • 预训练和迁移语言神经表征的早期例子表明,预训练的词嵌入表(word embedding tables)比从头学习的词嵌入表能更好地提升下游任务结果(2013;2014;2010)
  • 后来的研究通过学习和迁移能捕捉单词上下文表征(contextual representations)的神经模型推进了这一领域(2016;2018;2017;2019)
  • 近期的相关研究(2016;2018;2019b;)进一步基于这些思想,不仅迁移语言模型来提取上下文单词表征,还在下游任务上对语言模型进行端到端微调
  • 通过这些工作,技术发展已经从仅迁移词嵌入表发展到迁移整个数十亿参数的语言模型
  • 这种方法的发展使得需要能够高效大规模运行并满足日益增长的计算需求的硬件、系统技术和框架
  • 论文的工作旨在提供必要的工具,以推动这一趋势向前迈出又一步

Transformer Language Models and Multi-Head Attention

  • 当前 NLP 研究趋势是使用 Transformer 模型(2017),因为它们具有更高的准确率和计算效率
  • 原始 Transformer 结构被设计为机器翻译架构,它使用 Encoder 和 Decoder 两部分将输入序列转换为另一个输出序列
  • 近期利用 Transformer 进行语言建模的研究(如BERT(2018)和GPT-2(2019))根据其需求仅使用 Encoder 或 Decoder
  • 本研究探讨了 Decoder 架构 GPT-2 和 Encoder 架构 BERT
  • 图2显示了论文使用的模型示意图
    • 有关模型架构的详细描述,论文建议读者参考先前的研究(2017;2018;2019)
    • 特别地,GPT-2 和 BERT都使用 GeLU(2016)非线性激活函数和 Layer Normalization (2016),并 将其应用于多头注意力(multi-head attention)和前馈层(feed forward layers)的输入,而原始 Transformer (2017)使用 ReLU 非线性激活函数,并将 Layer Normalization 应用于输出

Data and Model Parallelism in Deep Learning

  • 将深度神经网络训练扩展到多个硬件加速器有两种核心范式:数据并行(data parallelism)(1990)和模型并行(model parallelism)
    • 数据并行是将训练小批量(minibatch)分配到多个工作节点(workers)
    • 模型并行是将模型的内存使用和计算分配到多个工作节点
  • 通过与可用工作节点数量成比例地增加批量大小(即弱扩展),可以观察到训练数据吞吐量接近线性扩展
    • 但大批量训练会给优化过程带来复杂性,可能导致准确率下降或收敛时间延长,从而抵消训练吞吐量增加带来的好处(2017)
    • 进一步的研究(2017;2017;2019)开发了缓解这些影响的技术,并缩短了大型神经网络的训练时间
    • 为了进一步扩展训练,相关研究(2016)将数据并行与激活检查点相结合 :
      • 在反向传播(backward pass)中重新计算激活(activations),而不在前向传播(forward pass)中存储它们,以减少内存需求
  • 以上这些技术在处理问题规模上有一个根本限制:模型必须完全适合单个工作节点
    • 随着 BERT 和 GPT-2 等语言模型规模和复杂性的增加,神经网络已经接近现代硬件加速器的内存容量
    • 解决这一问题的一种方法是使用参数共享(parameter sharing)来减少模型的内存占用(2019),但这会限制模型的整体容量
    • 论文的方法是利用模型并行将模型分配到多个加速器上
      • 这不仅减轻了内存压力,还独立于微批量(microbatch)大小增加了并行性
  • 在模型并行中,还有两种进一步的范式:分层流水线并行(layer-wise pipeline parallelism)和更通用的分布式张量计算(distributed tensor computation)
    • 在流水线模型并行中,一组操作在一个设备上执行,然后将输出传递到流水线中的下一个设备,在那里执行另一组操作
      • 一些方法(2018;2018)将参数服务器(parameter server)(2014)与流水线并行结合使用,但这些方法存在不一致问题
      • TensorFlow 的 GPipe 框架(2018)通过使用同步梯度下降(synchronous gradient decent)克服了这一不一致问题
        • GPipe 需要额外的逻辑来处理这些通信和计算操作的高效流水线,并且会受到流水线气泡(pipeline bubbles)的影响而降低效率,或者需要修改优化器本身,从而影响准确率
    • 分布式张量计算是一种独立且更通用的方法,它将张量操作分配到多个设备上,以加速计算或增加模型规模
      • FlexFlow(2018)是一个协调这种并行计算的深度学习框架,它提供了一种选择最佳并行策略的方法
      • Mesh-TensorFlow(2018)引入了一种在 TensorFlow(2015)中指定通用分布式张量计算类别的语言
        • 用户在该语言中指定并行维度,然后使用适当的集合原语(collective primitives)编译生成的图
  • 论文利用与 Mesh-TensorFlow 中类似的见解,并利用 Transformer 注意力头(attention heads)计算中的并行性来并行化论文的 Transformer 模型
    • 论文没有为模型并行实现框架和编译器,而是仅对现有 PyTorch Transformer 实现进行了少量有针对性的修改
    • 论文的方法简单,不需要任何新的编译器或代码重写,并且可以通过插入一些简单的原语来完全实现,如下一节所述

Model Parallel Transformer s

  • 论文利用 Transformer 网络的结构,通过添加一些同步原语(synchronization primitives),实现了一种简单的模型并行方案

  • 如图2所示:一个 Transformer 层由一个自注意力块(self attention block)和一个两层的多层感知器(multi-layer perceptron, MLP)组成

    • 论文分别在这两个块中引入模型并行
  • 首先详细介绍 MLP 块

    • MLP 块的第一部分是一个通用矩阵乘法(general matrix multiplication, GEMM),后跟一个 GeLU 非线性激活函数:
      $$Y=GeLU(X A) \tag{1}$$
    • 并行化 GEMM 的一种方法是将权重矩阵 \(A\) 按行拆分,将输入 \(X\) 按列拆分,如下所示:
      $$X=\left[X_{1}, X_{2}\right], A=\left[\begin{array}{l}A_{1} \\ A_{2}\end{array}\right] \tag{2}$$
    • 这种划分将导致
      $$ Y=GeLU(X_{1} A_{1}+X_{2} A_{2}) $$
    • 由于 GeLU 是一个非线性函数
      $$ GeLU(X_{1} A_{1}+X_{2} A_{2}) \neq GeLU(X_{1} A_{1})+GeLU(X_{2} A_{2})$$
    • 因此这种方法需要在 GeLU 函数之前设置一个同步点
  • 另一种方法是将 \(A\) 按列拆分 \(A=[A_{1}, A_{2}]\)

    • 这种划分允许 GeLU 非线性激活函数独立应用于每个划分的 GEMM 输出:
      $$\left[Y_{1}, Y_{2}\right]=\left[GeLU\left(X A_{1}\right), GeLU\left(X A_{2}\right)\right]$$

    • 这一方法的优势在于消除了同步点

    • 论文以这种列并行的方式划分第一个 GEMM,并将第二个 GEMM 按行拆分,使其可以直接接收 GeLU 层的输出,而无需任何通信(如图3a所示)

    • 然后,第二个 GEMM 的输出在多个 GPU 之间进行归约(reduce),之后再传递到 dropout 层

    • 这种方法将 MLP 块中的两个 GEMM 都拆分到多个 GPU 上,并且在正向传播中只需要一个 \(g\) 算子,在反向传播中只需要一个全归约(all-reduce)( \(f\) 算子)

      • 这两个算子是共轭的,可以用 PyTorch 中的几行代码实现
    • 例如, \(f\) 算子的实现如下:

      1
      2
      3
      4
      5
      6
      class f(torch.autograd.Function):
      def forward(ctx, x):
      return x
      def backward(ctx, gradient):
      all_reduce(gradient)
      return gradient
    • \(g\) 与 \(f\) 类似,只是在正向传播中执行全归约,在反向传播中执行恒等操作

  • 如图3b所示

    • 对于自注意力块,利用多头注意力操作中固有的并行性 ,将与 \(K\)、 \(Q\) 和 \(V\) 相关的 GEMM 以列并行的方式划分 ,这样每个注意力头对应的矩阵乘法都在单个 GPU 上本地完成
    • 这使得我们可以将每个注意力头的参数和计算负载分配到多个 GPU 上,并且不需要立即通信就能完成自注意力计算
    • 自注意力之后的输出线性层(output linear layer)的 GEMM 按行并行化,可以直接接收并行注意力层的输出,无需 GPU 之间的通信
    • 这种针对 MLP 层和自注意力层的方法融合了两组 GEMM,消除了它们之间的同步点,从而实现了更好的扩展性
    • 这使得论文能够在一个简单的 Transformer 层中,仅在正向传播和反向传播中各使用两次全归约来执行所有 GEMM(见图4)
  • Transformer 语言模型的 Output Embedding 维度为隐藏层大小( \(H\) )乘以词汇表大小( \(v\) )

    • 现代语言模型的词汇表大小通常在数万个 token 量级(例如,GPT-2 使用的词汇表大小为 50257),因此并行化 Output Embedding 的 GEMM 是有益的
    • 但在 Transformer 语言模型中, Output Embedding 层与 Input Embedding 层共享权重,这需要对两者都进行修改
    • 对于 Input Embedding 权重矩阵 \(E_{H \times v}\) 沿词汇表维度按列拆分:
      $$ E=[E_{1}, E_{2}]$$
      • 由于每个分区现在只包含一部分嵌入,因此在 Input Embedding 之后需要一个 \(g\) 算子
    • 对于 Output Embedding :
      • 一种方法是执行下面的并行 GEMM 以获得 logits
        $$ [Y_{1}, Y_{2}]=[X E_{1}, X E_{2}] $$
        • 然后添加一个全收集(all-gather)操作 $$ Y = \text{all-gather}([Y_{1}, Y_{2}])$$
        • 再将结果传递给交叉熵损失函数(cross-entropy loss function)
        • 但这种情况下,全收集操作将传递 \(b \times s \times v\) 个元素( \(b\) 是批大小, \(s\) 是序列长度),由于词汇表大小很大,这一数据量非常庞大
      • 为了减少通信量,论文将并行 GEMM 的输出 \([Y_{1}, Y_{2}]\) 与交叉熵损失融合,这将维度减少到 \(b \times s\)
      • 传递标量损失而不是 logits 大大减少了通信量,提高了论文模型并行方法的效率
  • 论文的模型并行方法在很大程度上可以概括为旨在减少通信并使 GPU 保持计算受限(compute bound)的技术

  • 论文选择在多个 GPU 上复制计算,而不是让一个 GPU 计算 dropout、 Layer Normalization 或残差连接的一部分,然后将结果广播到其他 GPU

  • 具体来说:

    • 论文在每个 GPU 上维护 Layer Normalization 参数的副本
    • 并对模型并行区域的输出执行 dropout 和 残差连接
    • 然后将其作为输入馈送到下一个模型并行区域
    • 问题:如何理解这里的每个 GPU 独立维持 Layer Normalization 参数的副本?
  • 为了优化模型,论文允许每个模型并行工作节点优化自己的一组参数

    • 由于所有值要么在 GPU 上本地存储,要么在 GPU 上复制,因此在这种形式中不需要通信更新后的参数值
  • 关于混合模型并行与数据并行以及随机数生成的处理,论文在附录B中提供了更多细节

  • 总之,如上所述,论文的方法易于实现,只需要在正向传播和反向传播中添加少量额外的全归约操作

    • 它不需要编译器,并且与 GPipe(2018)等方法所倡导的流水线模型并行相互独立且互补

Setup

  • 预训练语言理解模型是自然语言处理和语言理解中的核心任务
  • 语言建模有多种形式,论文重点关注 GPT-2(2019)(一种基于 Transformer 的从左到右生成式语言模型)和 BERT(2018)(一种基于掩码语言模型的双向 Transformer 模型)
  • 论文在以下部分解释这些模型的配置,并建议读者参考原始论文以获取更多细节

Training Dataset

  • 为了收集具有长期依赖关系的大型多样化训练集,论文聚合了几个最大的语言建模数据集
  • 论文创建的聚合数据集包括 Wikipedia(2018)、CC-Stories(2018)、RealNews(2019)和 OpenWebtext(2019)
  • 为了避免训练集数据泄露到下游任务中
    • 移除了 WikiText103 测试集(2016)中存在的 Wikipedia 文章
    • 还移除了 CC-Stories 语料库中因预处理 artifacts 引入的不必要换行
  • 对于 BERT 模型,论文在训练数据集中包含了 BooksCorpus(2015),但由于该数据集与 LAMBADA 任务重叠,因此在 GPT-2 训练中排除了该数据集
  • 论文合并了所有数据集,然后做了以下操作:
    • 从聚合数据集中过滤掉内容长度小于 128 个 token 的所有文档
    • (聚合数据集中可能存在重复的相似内容),论文使用局部敏感哈希(locality-sensitive hashing, LSH)对 Jaccard 相似度大于 0.7 的内容进行去重
  • 最终的聚合语料库包含 174 GB 的去重文本

Training Optimization and Hyperparameters

  • 为了高效训练论文的模型,论文利用混合精度训练(mixed precision training)和动态损失缩放(dynamic loss scaling),以充分利用 V100 的Tensor Core(2017;2018)
  • 使用简单的正态分布初始化权重 \(W\) :
    $$ W \sim N(0,0.02)$$
  • 在残差层(residual layers)之前立即按下面的比例缩放权重:
    $$ \frac{1}{\sqrt{2 N} } $$
    • 其中 \(N\) 是由自注意力和 MLP 块组成的 Transformer 层数
  • 使用带权重衰减(weight decay)(2019)的 Adam 优化器(2014),其中 \(\lambda=0.01\)
  • 使用全局梯度范数裁剪(global gradient norm clipping)为 1.0,以提高大型模型训练的稳定性
  • dropout 率均设置为 0.1
  • 在每个 Transformer 层之后使用激活检查点(2016)
  • 对于 GPT-2 模型
    • 所有训练都使用 1024 个子词单元(subword units)的序列
    • 批大小为 512
    • 共训练 300K 次迭代
    • 初始学习率为 1.5e-4(3k 次迭代的预热期(warmup period))
    • 剩余的 297K 次迭代中遵循单周期余弦衰减(single cycle cosine decay)至最小学习率 1e-5
  • 对于 BERT 模型
    • 在很大程度上遵循(2019)中描述的训练过程
    • 论文使用原始 BERT 词典,词汇表大小为 30522
    • 按照(2019)的建议,用句子顺序预测(sentence order prediction)替换了下一句预测(next sentence prediction)头,并使用(2019)的全词 n-gram 掩码(whole word n-gram masking)
    • 批大小设置为 1024
    • 学习率为 1.0e-4
    • 在 10k 次迭代中预热,然后在 2M 次迭代中线性衰减
    • 其他训练参数与(2018)保持一致

Experiments

  • 论文所有的实验都使用了多达 32 台 DGX-2H 服务器(总共 512 块 Tesla V100 SXM3 32GB GPU)
  • 论文的基础设施针对多节点深度学习应用进行了优化,服务器内部的 GPU 之间通过 NVSwitch 实现 300 GB/秒 的带宽,服务器之间通过每台服务器配备的 8 个 InfiniBand 适配器实现 100 GB/秒 的互联带宽

Scaling Analysis

  • 为了测试论文实现方案的可扩展性,论文考虑了四组参数的 GPT-2 模型,详情见表1
  • 为了使自注意力层中的通用矩阵乘法(GEMM)大小保持一致,每个注意力头的隐藏层大小固定为 96,通过调整注意力头数和层数来获得参数规模从 1B 到 8B 的配置
    • 1.2B 参数的配置可以在单个 GPU 上运行,而 8B 参数的模型则需要 8 路模型并行(8 块 GPU)
    • 将原始词汇表大小从 50257 填充为 51200,原因如下:
      • 为了使 logit 层的通用矩阵乘法(GEMM)更高效,每个 GPU 上的词汇表大小最好是 128 的倍数
      • 论文的模型并行最多为 8 路,因此论文将词汇表填充为可被 \(128 \times 8 = 1024\) 整除的大小,最终填充后的词汇表大小为 51200
    • 论文研究了模型并行和模型+数据并行两种扩展性
      • 对于模型并行扩展性,所有配置都使用固定的批大小 8
      • 数据并行扩展对于训练许多 SOTA 模型是必要的,这些模型通常使用更大的全局批大小
      • 在模型+数据并行的情况下,论文所有实验的全局批大小都固定为 512,这对应于 64 路数据并行
Model and Data Parallelism
  • 本节展示模型并行和模型+数据并行情况下,相对于模型参数的弱扩展性
  • 弱扩展性通常通过扩展批大小来实现,但这种方法无法解决训练无法在单个 GPU 上运行的大型模型的问题,而且会导致大批量训练的收敛性下降
  • 论文不同,在这里使用弱扩展性来训练原本无法实现的更大模型
  • 所有扩展性数据的基准是表1中的第一种配置(1.2B 参数)在单个 GPU 上的运行情况
    • 这是一个很强的基准,因为它在整个训练过程中达到了 39 TeraFLOPs,相当于 DGX-2H 服务器中单个 GPU 理论峰值浮点运算的 30%
  • 图5显示了模型并行和模型+数据并行的扩展性数值:论文在两种设置下都观察到了优异的扩展性。例如,
    • 8.3B 参数的模型在 8 路(8 块 GPU)模型并行下实现了 77% 的线性扩展效率
    • 模型+数据并行由于需要额外的梯度通信,扩展性数值略有下降
    • 但即使是在 512 块 GPU 上运行的最大配置(8.3B 参数),相对于 1.2B 参数在单个 GPU 上的强基准配置,论文也实现了 74% 的线性扩展效率
    • 更多扩展性分析见附录D

Language Modeling Results Using GPT-2

  • 为了证明大型语言模型能进一步推动技术发展,论文考虑训练表2中列出的不同规模和配置的 GPT-2 模型

    • 355M 参数的模型与 BERT-Large 模型(2018)的规模和配置相当
    • 2.5B 参数的模型比之前最大的 GPT-2 模型更大,而据论文所知,8.3B 参数的模型比任何已训练的从左到右的 Transformer 语言模型都要大
  • 论文使用第4节中描述的流程来训练和评估论文的语言模型

  • 表2还列出了完成一个 epoch 所需的时间,一个 epoch 相当于 68507 次迭代

    • 例如, 8.3B 参数的模型在 512 块 GPU 上,每个 epoch 大约需要两天
    • 与表1中用于扩展性研究的配置相比:
      • 2.5B 参数的模型是相同的
      • 8.3B 参数的模型有 24 个注意力头(而不是 32 个)
      • 355M 参数的模型比之前的任何模型都小,但仍使用 64 块 GPU 进行训练,因此每个 epoch 的时间短得多
  • 图6显示了验证集困惑度(perplexity)随迭代次数的变化

    • 随着模型规模的增加,验证集困惑度降低, 8.3B 参数的模型达到 9.27 的验证集困惑度
  • 表3报告了训练后的模型在 LAMBADA 和 WikiText103 数据集上的零样本评估结果

    • 有关评估方法的更多细节,请参见附录E
  • 论文观察到,随着模型规模的增加,WikiText103 上的困惑度降低,LAMBADA 上的完形填空准确率(cloze accuracy)提高

    • 论文的 8.3B 参数模型在 WikiText103 测试集上实现了 10.81 的调整后困惑度,达到了最佳水平
    • 8.3B 参数的模型在 LAMBADA 任务上的准确率为 66.51%,同样超过了之前的完形填空准确率结果
    • 附录C 中包含了 8.3B 参数模型生成的样本
  • 最近,微软的研究人员与 NVIDIA 合作,使用 Megatron 训练了一个 17B 参数的 GPT-2 模型,称为 Turing-NLG(微软,2020),并表明随着模型规模的扩大,准确率进一步提高,凸显了更大模型的价值

  • 为了确保论文的训练数据中不包含任何测试集数据

    • 论文计算了测试集中的 8-grams 在训练集中出现的百分比,就像之前的工作(2019)所做的那样
    • WikiText103 测试集的重叠率最多为 10.8%,LAMBADA 测试集(2016)的重叠率最多为 1.4%
    • WikiText103 测试集与 WikiText103 训练集的重叠率已经达到 9.09%(2019)
    • 由于这些结果与之前的工作一致,论文有信心训练数据中没有无意中包含任何测试数据的文档

Bi-directional Transformer Results Using BERT

  • 在本节中,论文将论文的方法应用于类 BERT(BERT-style)的 Transformer 模型,并研究模型扩展对多个下游任务的影响
  • 先前的工作(2019)发现,当模型规模超过 336M 参数的 BERT-large 时,会出现意想不到的模型性能下降
    • 为了解决这种下降,该工作的作者(2019)引入了参数共享,并表明他们的模型比原始 BERT 模型的扩展性好得多
  • 论文进一步研究了这种现象,并通过实证证明,如图7所示,重新排列 Layer Normalization 和残差连接(residual connections)的顺序,对于使类 BERT 模型能够扩展到超过 BERT-Large 的规模至关重要
  • 图7中的架构(b)消除了使用原始BERT架构(a)时观察到的不稳定性,并且具有更低的训练损失
  • 据论文所知,论文是第一个报告这种修改能够训练更大 BERT 模型的研究
  • 使用图7(b)中的架构修改,论文考虑了表4中详细列出的三种情况
    • 336M 参数的模型与 BERT-large 的规模相同
    • 1.3B 参数的模型与之前被证明比 336M 参数的 BERT-large 模型结果更差的 BERT-xlarge 配置相同(2019)
    • 论文通过同时增加隐藏层大小和层数,将 BERT 模型进一步扩展到 3.9B 参数的情况
    • 在所有情况下,每个注意力头的隐藏层大小都固定为 64
    • 336M 和 1.3B 参数的模型训练了 2M 次迭代,而 3.9B 参数的模型训练了 1.5M 次迭代,目前仍在训练中
  • 在 3% 的保留集上,336M、1.3B和 3.9B 参数的模型分别实现了 1.58、1.30 和 1.16 的验证集困惑度 ,随着模型规模的增加而单调下降
  • 论文在多个下游任务上对训练后的模型进行微调,包括 GLUE 基准(2019)中的 MNLI 和 QQP,斯坦福问答数据集(2016;2018)中的 SQuAD 1.1 和 SQuAD 2.0,以及阅读理解 RACE 数据集(2017)
    • 微调时,论文遵循(2019b)中的相同流程
    • 论文首先对批大小和学习率进行超参数调优
    • 获得最佳值后,论文报告 5 个不同随机种子初始化的开发集结果的中值
    • 每个模型和任务使用的超参数见附录A
  • 表5显示了 MNLI、QQP、SQuAD 1.1 和 SQuAD 2.0 的开发集结果,以及 RACE 的测试集结果
    • 对于 RACE 的测试集结果,论文首先使用开发集找到在 5 个随机种子上给出中值分数的检查点,然后报告该检查点在测试集上的结果
    • 论文还报告了 SQuAD 开发集和 RACE 测试集的 5 路集成(ensemble)结果
  • 从表5中论文观察到:
    • (a)随着模型规模的增加,所有情况下的下游任务性能都有所提高;
    • (b)论文的 3.9B 参数模型在开发集上建立了比其他基于 BERT 的模型更好的最佳结果;
    • (c)论文的 3.9B 参数模型在 RACE 测试集上同时实现了单模型和集成模型的最佳结果

Future Work

  • 未来的工作有几个方向
    • 继续扩大预训练规模是一个很有前景的研究方向,这将进一步考验现有的深度学习硬件和软件
      • 为了实现这一点,需要提高优化器的效率和减少内存占用
      • 此外,训练超过16B 参数的模型将需要比 DGX-2H 服务器的16块GPU更多的内存
      • 对于此类模型,混合层内和层间模型并行以及节点间模型并行将更合适
    • 其他三个研究方向包括:
      • (a)预训练不同的模型系列(XLNet、T5);
      • (b)评估大型模型在更多更困难和更多样化的下游任务(如生成式问答、摘要和对话)上的性能;
      • (c)使用知识蒸馏(knowledge distillation)从这些大型预训练教师模型(teacher models)中训练小型学生模型(student models)

A. BERT Finetuning Hyperparameters

  • 表6展示了每个模型和任务在微调过程中使用的超参数

B. Model Parallel Supplementary Material

在本节中,论文将详细介绍混合模型并行与数据并行以及随机数生成的处理方法

B.1 Hybrid Model and Data Parallelism

  • 模型并行与数据并行是相互独立的,因此我们可以同时使用这两种方法,在合理的时间内训练大型模型
  • 图8展示了用于混合模型并行与数据并行的 GPU 分组方式
  • 同一服务器内的两块或多块 GPU 组成模型并行组(例如图8中的 GPU 1 至 8),这些 GPU 共同分布运行一个模型实例
  • 其余的 GPU(可能位于同一服务器内,但更常见的是位于其他服务器中)运行额外的模型并行组
  • 每个模型并行组中处于相同位置的 GPU(例如图8 中的 GPU 1、9、……、505)组成数据并行组,因此数据并行组内的所有GPU都持有相同的模型参数
  • 在反向传播过程中,论文并行运行多个梯度全归约(gradient all-reduce)操作,以在每个不同的数据并行组内归约权重梯度
  • 所需的 GPU 总数是模型并行组数与数据并行组数的乘积
  • 例如,对于 8.3B 参数的模型,论文每个模型并行组使用 8 块 GPU,并采用 64 路数据并行,因此总共需要 512 块 GPU
  • 所有通信都是在 PyTorch 中通过 Python 调用 NCCL 实现的
  • 每个模型并行组内的 GPU 在组内所有 GPU 之间执行全归约操作
  • 对于数据并行,每个全归约操作都在每个模型并行组中的一块 GPU 之间进行

B.2 Model Parallel Random Number Generation

  • 诸如 dropout 等利用随机数生成的技术是现代深度学习训练中的重要组成部分
  • Transformer 在模型并行区域之外的残差连接之前以及模型并行区域内的自注意力块中都有 dropout 层
  • 由于一些 dropout 层位于模型并行区域内,而另一些则不在,因此论文需要谨慎处理随机数生成,以确保 dropout 正常工作
  • 为了在模型并行工作节点之间同步残差连接 dropout,论文在训练开始时使用相同的种子初始化随机数生成器
  • 这使得所有模型并行工作节点的 dropout 模式完全相同
  • 然而,模型并行区域内的 dropout 应该为每个工作节点生成不同的随机模式,以实现整个操作的随机性
    • 为了实现这一点,论文为模型并行区域内的 dropout 维护一个单独的随机数生成器
    • 每个模型并行工作节点的这个随机数生成器都有唯一的种子

C. Text Samples

  • 本节展示了 Megatron-LM 使用上下文提示生成的一些文本样本

D. Further Scaling Analysis

  • 在本节中,论文研究注意力头数对扩展性结果的影响
  • 论文还展示了 1.2B 参数模型的强扩展性结果

D.1 Attention Heads and Scaling

  • 本节研究注意力头数对模型并行扩展性的影响
  • 为此,论文考虑 8.3B 参数配置(采用8路模型并行),并将注意力头数从 16 调整到 32
  • 结果如表7所示
    • 随着注意力头数的增加 ,自注意力层内的一些通用矩阵乘法(GEMMs)会变小 ,自注意力 softmax 中的元素数量也会增加
      • 这导致扩展性效率略有下降
    • 未来的研究在设计平衡模型速度和准确率的大型 Transformer 模型时,应注意这个超参数

D.2 Strong Scaling

  • 论文的模型并行主要是为了能够训练规模超过单个 GPU 内存的模型,但它也可以在不增加批大小的情况下加速较小模型的训练
  • 为了衡量这种加速效果,论文训练了一个固定的 1.2B 参数模型
  • 论文使用每次迭代 8 个样本的固定批大小,并通过模型并行增加 GPU 数量
  • 结果如表8所示
    • 使用两块GPU可使训练速度提高 64%
    • 超过这个数量后,论文看到收益递减,因为每个 GPU 的计算量减少,内存带宽和通信开销开始占据主导地位

E. 使用 WikiText103 和 LAMBADA 评估语言模型(Evaluating Language Models Using WikiText103 and LAMBADA)

  • 在本节中,论文详细介绍了 WikiText103 数据集(2016)和 LAMBADA 数据集(2016)上完形填空式预测准确率的评估方法

E.1 Wikitext103 困惑度(Wikitext103 Perplexity)

  • WikiText103 困惑度是过去几年中被广泛研究的评估标准,困惑度是语料库平均交叉熵的指数(2011)。是语言模型的自然评估指标,因为语言模型表示整个句子或文本的概率分布:
    $$\text{PPL}=\exp \left(-\frac{1}{T_{o} } \sum_{t}^{T} \log P(t | 0: t-1)\right) \tag{4}$$
  • 为了计算式(4)中的困惑度
    • 论文根据子词词汇表对 WikiText103 测试语料库进行分词,并对每个 token \([0, T]\) 的交叉熵损失求和
    • 然后,论文通过原始分词方案中的 token 数量 \(T_{0}\) 对交叉熵损失进行归一化
  • WikiText103 测试语料库已经过预处理,采用单词级分词,先前的研究使用这种分词来计算困惑度
  • 为了在公平的环境下与先前的研究比较论文模型的困惑度,论文必须通过原始 token 数量 \(T_{0}\) 进行归一化,而不是输入到论文模型中的实际分词数据的 token 数量 \(T\)
  • 这种预分词还会在文本中引入训练数据中不存在的 artifacts
  • 为了缓解这种分布不匹配,论文首先使用可逆的去分词器对 WikiText103 测试数据集进行预处理,以去除与标点符号和空格相关的各种 artifacts
  • \(T_{0}\) 的值是在这种预处理之前计算的
  • 对于WikiText103的测试集, \(T_{o}=245566\) , \(T=270329\)
  • 论文还必须对困惑度计算进行一项特定于 Transformer 的修改
    • 与基于 RNN 的语言模型不同, Transformer 在固定的窗口输入大小上运行
    • 因此,它们无法完全计算 \(P(t | 0: t-1)\) ,只能计算 \(P(t | t-w: t-1)\) ,其中 \(w\) 是论文的上下文大小:1024 个 token
    • 但为数据集中的每个 token 计算这个值的成本过高,因为论文必须对 \(w\) 大小的上下文进行大约 \(T\) 次评估
    • 为了高效地评估论文的模型,论文采用了一种称为重叠评估(overlapping evaluation)的折中方法,每次滑动窗口前进一定的重叠量 \(o\) ,只计算窗口最后 \(o\) 个 token 的交叉熵损失
    • 在论文的实验中,论文使用 32 的重叠量 \(o\) ,并以这种方式对所有滑动窗口计算损失

E.2 LAMBADA Cloze Accuracy

  • 处理长期上下文的能力对于 SOTA 语言模型至关重要,也是长文本生成和基于文档的问答等问题的必要前提
  • 像 LAMBADA 这样的完形填空式数据集旨在衡量模型在这些类型的长期上下文中运行和推理的能力
  • 完形填空式阅读理解使用单词 token 的上下文 \(x=x_{1: t}\) ,其中一个 token \(x_{j}\) 被掩码;
    • 模型的目标是正确预测缺失的第 \(j\) 个 token
  • 为了准确预测缺失的 token,模型需要深入理解周围的上下文以及在这种上下文中应如何使用语言
  • LAMBADA 使用完形填空式阅读理解来测试生成式从左到右语言模型,它构建了 45 个句子的示例,其中上下文 \(x_{t}\) 的最后一个单词被掩码
  • 论文的模型使用子词单元,因此在 LAMBADA 评估中,论文使用原始的、未处理的 LAMBADA 数据集,并要求论文的模型预测组成单词 token 的多个子词token
  • 论文使用教师强制(teacher forcing),只有当所有输出预测都正确时,才认为答案正确
    • 这种形式与原始的单词 token 预测任务等效

NLP——DeepSeek-GRM

注:本文包含 AI 辅助创作

  • 参考链接:
    • 原始论文:(DeepSeek-GRM)Inference-Time Scaling for Generalist Reward Modeling, DeepSeek & THU, 20250403-20250925
      • 本工作是 THU 学生在 DeepSeek 实习期间完成
    • 开源模型: huggingface.co/collections/BBQGOD/deepseek-grm 和 modelscope.cn/profile/BBQGOD
      • 开源包含三个模型:
        • BBQGOD/DeepSeek-GRM-16B
        • BBQGOD/DeepSeek-GRM-27B
        • BBQGOD/DeepSeek-GRM-27B-MetaRM

Paper Summary

  • 核心内容:
    • 论文提出了自 Principle Critique 调优 (Self-Principled Critique Tuning, SPCT) 方法
    • SPCT 是一种增强通用奖励建模推理时扩展性的方法
    • 通过 Rule-based Online RL,SPCT 实现了 Principle 和 Critique 的自适应生成,显著提升了 GRM 在多样领域中的奖励质量和推理时扩展性
    • 在实验中,DeepSeek-GRM 超越了基线方法和一些强大的公开 RM,并通过推理时扩展,尤其是在 Mata RM 的引导下,展现出显著的改进
  • 背景:
    • RL 在 LLMs 的后训练中已被广泛采用
    • 在 LLMs 中通过 RL 激励推理能力表明: 适当的学习方法能够实现有效的推理时扩展性(proper learning methods could enable effective inference-time scalability)
  • 问题提出:
    • RL 的一个关键挑战是,在可验证问题或人工规则之外的各个领域为 LLMs 获取准确的奖励信号
  • 论文研究了如何通过增加推理计算来改进通用 Query 的奖励建模(Reward Modeling, RM),即 通用奖励建模的推理时扩展性(inference-time scalability of generalist RM)
    • 对于 RM(即奖励建模)方法,论文采用 Pointwise 生成奖励建模(pointwise generative reward modeling, GRM)以实现对不同输入类型的灵活性和推理时扩展的潜力
    • 对于学习方法,论文提出了 Self-Principled Critique 调优(Self-Principled Critique Tuning, SPCT) ,通过 Online RL 在 GRMs 中培养(foster)可扩展的奖励生成行为,以自适应地生成 Principle 并准确地给出 Critique,从而产生了 DeepSeek-GRM 模型
    • Furthermore,为了实现有效的推理时扩展,论文使用并行采样来扩展计算使用,并引入一个元奖励模型(meta RM)来指导投票过程以获得更好的扩展性能
  • 实验表明,SPCT 显著提高了 GRMs 的质量和可扩展性,在各种 RM 基准测试中优于现有方法和模型,且没有严重的偏差,并且与训练时扩展(training-time scaling)相比,它能获得更好的性能
  • DeepSeek-GRM 在某些任务上仍面临挑战,作者相信未来在通用奖励系统上的努力可以解决这些问题
  • 注:相关模型均已开源
  • 图 1: 不同 RMs 在所有测试的 RM 基准上的推理时扩展性能
    • 结果显示为每种方法最多 8 个样本,论文的方法进一步扩展到 32 个样本
    • 非斜体字体表示基于 Gemma-2-27B 的模型
  • 特别说明:
    • DeepSeek-GRM 的用法看看附录 G 中 DeepSeek-GRM (Default) Prompt 细节更容易理解

Introduction and Discussion

  • LLMs (2023; 2024) 的显著进步推动了人工智能研究的重大转变,使模型能够执行需要理解、生成和细微决策能力的任务
  • Recently,RL 作为 LLMs 的后训练方法已被大规模采用,并在人类价值观对齐(human value alignment)(2024; 2025)、长期推理(long-term reasoning)(2023; 2024) 和 LLMs 的环境适应(environment adaptation)(2024) 方面带来了显著改进。奖励建模(RM)(2024) 作为 RL 中的一个关键组件,对于为 LLM Response 生成准确的奖励信号至关重要
    • 当前研究(2024; 2025)也表明,无论是在训练时还是推理时拥有高质量且稳健的奖励,LLMs 都能在特定领域取得强劲性能
  • However,这种特定领域的高质量奖励主要来源于具有明确条件的人工设计环境(2022; 2024)或为可验证问题(例如数学问题(2021; 2023)和编码任务(2024; 2025))手工制定的规则
    • 在通用领域,奖励生成更具挑战性,因为奖励标准更加多样化和复杂,并且通常没有明确的参考或真实答案
    • 因此,通用奖励建模(generalist reward modeling)对于从后训练(例如大规模 RL)或推理(例如 RM 引导的搜索)角度提高 LLMs 在更广泛应用中的性能至关重要
    • Furthermore,RM 性能应通过增加训练计算(2023)和推理计算(inference compute)来提升
  • 图 2:奖励生成的不同范式,包括 (a) Scalar,(b) Semi-scalar 和 (c) 生成式方法,以及不同的评分模式,包括 (i) Pointwise 和 (ii) Pairwise 方法
    • 论文列出了每种方法的代表性方法,以及相应的推理时扩展性(是否可以从多次采样中获得更好的奖励)和输入灵活性(是否支持对单个和多个 Response 的评分)
  • 在实践中,要使 RMs 既通用又在推理时有效可扩展(effectively scalable)存在挑战
    • 通用性 要求 RM:
      • (1)对不同输入类型的灵活性
      • (2)在各个领域生成准确的奖励
      • 论文将此范式称为 通用奖励建模(generalist reward modeling)
    • Moreover,有效的 推理时扩展性(inference-time scalability) 要求 RM
      • (3)能够通过增加推理计算生成更高质量的奖励信号
      • (4)学习可扩展的行为以实现更好的性能-计算缩放(performance-compute scaling)
    • 现有的奖励建模研究展示了奖励生成的几种范式,包括 Scalar(2021; 2024; 2024)、 Semi-scalar(2025; 2025; 2025) 和生成式(generative)(2024; 2024; 2024; 2024; 2025; 2025; 2025; 2025; 2025) 方法,以及各种评分模式,例如 Pointwise(1940; 2023; 2024; 2025; 2025) 和 Pairwise (2024; 2023; 2023; 2024; 2025)
      • 这些方法本质上决定了 RMs 的输入灵活性(flexibility)和推理时扩展性((1)和(3)),如图 2 所示
      • For Instance, Pairwise RMs 仅考虑 Pairwise Response 的相对偏好,缺乏接受单个或多个 Response 作为输入的灵活性; Scalar RMs 很难为同一 Response 生成多样化的奖励信号,这阻碍了通过基于采样的推理时扩展方法(2025)获得更好的奖励
      • Also,不同的学习方法(2024; 2024; 2024; 2024)用于提高奖励的质量,但其中很少关注推理时扩展性,并研究学习到的奖励生成行为与 RMs 推理时扩展有效性之间的相互联系,导致性能提升有限((2)和(4))
      • 当前研究(2025)表明,有效的推理时扩展性可以通过适当的学习方法实现,这引出了问题:论文能否设计一种旨在实现通用奖励建模有效推理时扩展的学习方法?

        Can we design a learning method aiming to enable effective inference-time scaling for generalist reward modeling?

  • 论文研究了不同的 RM 方法,发现 Pointwise 生成奖励建模(GRM)可以在纯语言表示中统一对单个、 Pairwise 和多个 Response 的评分,克服挑战(1)
  • 论文探索了某些 Principle 可以在适当的准则范围内指导 GRMs 的奖励生成,从而提高奖励质量,这表明 RM 的推理时扩展性可能通过扩展高质量 Principle 和准确 Critique 的生成来实现
  • 基于此初步发现,论文提出了一种新颖的学习方法 Self-Principled Critique 调优(Self-Principled Critique Tuning, SPCT) ,以在 GRMs 中培养有效的推理时可扩展行为
    • 通过利用 Rule-based Online RL,SPCT 使 GRMs 能够学习根据输入 Query 和 Response 自适应地提出 Principle 和 Critique ,从而在通用领域获得更好的结果奖励(挑战(2))
    • 然后论文推出了 DeepSeek-GRM-27B ,它是基于 Gemma-2-27B (2024) 使用 SPCT 进行后训练的
    • 对于推理时扩展,论文通过多次采样来扩展计算使用
      • 通过并行采样,DeepSeek-GRM 可以生成不同的 Principle 集和相应的 Critique ,然后投票决定最终奖励
      • 通过更大规模的采样,DeepSeek-GRM 可以基于更多样化的 Principle 进行更准确的判断,并以更细的粒度输出奖励 ,这解决了挑战(3)和(4)
    • Furthermore,除了投票,论文还训练了一个 Mata RM 以获得更好的扩展性能
  • 实验表明,SPCT 显著提高了 GRMs 的质量和可扩展性,在多个综合 RM 基准测试中优于现有方法和模型,且没有严重的领域偏差
    • 论文还将 DeepSeek-GRM-27B 的推理时扩展性能与参数高达 671B 的更大模型进行了比较,发现与模型大小的训练时扩展相比,它能获得更好的性能
  • 尽管当前方法在效率和特定任务上面临挑战,但作者相信,通过 SPCT 之外的努力,具有增强可扩展性和效率的 GRMs 可以作为通用奖励系统的多功能接口,推进 LLM 后训练和推理的前沿
  • In general,论文的主要贡献如下
    • 1)论文提出了一种新颖的方法 Self-Principled Critique 调优(Self-Principled Critique Tuning, SPCT) ,以培养通用奖励建模的有效推理时扩展性,从而产生了(resulting in) DeepSeek-GRM 模型
      • 论文还进一步引入了一个 Mata RM 来有效提升 DeepSeek-GRM 在投票之外的推理时扩展性能
    • 2)论文通过实验证明,与现有方法和几个强大的公共模型相比,SPCT 显著提高了 GRMs 的质量和推理时扩展性
    • 3)论文还将 SPCT 训练方案应用于更大尺寸的 LLMs,发现推理时扩展可以超越模型大小的训练时扩展

Preliminaries

Comparisons of Different RM approaches

  • 如图 2 所示,RM 方法主要由奖励生成范式和评分模式决定,这本质上影响了 RM 的推理时扩展性和输入灵活性
    • 对于 奖励生成范式(reward generation paradigms) ,论文区分了三种主要方法: Scalar 、 Semi-scalar 和生成式
    • 对于 评分模式(scoring patterns) ,论文区分了两种主要方法: Pointwise 和 Pairwise
  • 为了在推理时扩展计算使用,论文专注于基于采样的方法,这些方法为相同的 Query 和 Response 生成多组奖励,然后聚合最终奖励
    • RMs 的 推理时扩展性(inference-time scalability) 取决于是否可以从多次采样中获得不同的奖励 ,其中 Scalar RMs 在大多数情况下会因奖励的恒定生成而失败;
    • RMs 的 输入灵活性(input flexibility) 由 RM 是否支持对单个、 Pairwise 和多个 Response 的评分来定义,其中 Pairwise RMs 很难对单个 Response 评分,通常需要额外的技术(2023; 2025)来处理多个 Response
Reward Generation Paradigms
  • 经典的 RMs 采用 (a) Scalar 方法(scalar approach) 生成奖励(\(\mathcal{R}\))
    • 为给定的 Query 和 Response 分配 Scalar 值
  • Scalar 方法进一步扩展到 (b) Semi-scalar 方法(semi-scalar approach)
    • 除了 Scalar 值外还生成文本
  • 而 (c) 生成式方法(generative approach) 仅生成文本奖励
    $$
    \mathcal{R}=
    \begin{cases}
    S & \text{(Scalar)} \\
    (S, \boldsymbol{C}) & \text{(Semi-Scalar)} \quad \sim r_{\theta}\left(x,\{y_i\}_{i=1}^{n}\right)\\
    \boldsymbol{C} & \text{(Generative)}
    \end{cases} \\
    \tag{1}
    $$
    • 上面的公式表示如下含义:
      $$ \mathcal{R} \sim r_{\theta}\left(x,\{y_i\}_{i=1}^{n}\right) $$
    • \(x\) 是 Query
    • \(y_i\) 是第 \(i\) 个 Response
    • \(r_{\theta}\) 是由 \(\theta\) 参数化的奖励函数
    • \(S \in \mathbb{R}^{m}, m \leq n\) 是 Scalar 奖励
    • \(\boldsymbol{C}\) 是 Critique
Scoring Patterns
  • 论文区分了奖励的两种主要评分方法: Pointwise 和 Pairwise
  • (i) Pointwise 方法(pointwise approach) 为每个 Response 分配一个单独的分数:
    $$
    \{S_i\}_{i=1}^{n}=f_{\text{point} }\left(\mathcal{R},\{y_i\}_{i=1}^{n}\right), \quad \mathcal{R} \sim r_{\theta}\left(x,\{y_i\}_{i=1}^{n}\right), S_i \in \mathbb{R},
    \tag{2}
    $$
    • 其中 \(f_{\text{point} }(\cdot,\cdot)\) 是一个分割函数(Spliting Function)
    • 问题:这里 Pointwise 打分的情况下,输入的 \(y_i\) 仅一个就可以了吧?此时应该有 \(n=1\)? 还是说输入可以是多个,但是一个个分别打分?
  • (ii) Pairwise 方法(pairwise approach) 可以看作是一种最佳选择方法(best-of-\(n\) method),从所有候选中选择一个最佳 Response :
    $$
    \hat{y}=f_{\text{pair} }(\mathcal{R},\{y_i\}_{i=1}^{n}), \quad \mathcal{R} \sim r_{\theta}\left(x,\{y_i\}_{i=1}^{n}\right), \hat{y} \in \{y_i\}_{i=1}^{n},
    \tag{3}
    $$
    • 其中 \(f_{\text{pair} }(\cdot,\cdot)\) 是一个选择函数,在大多数情况下 \(n=2\)
    • 虽然 Pairwise 方法可以扩展到 \(n>2\),但不能应用于单个 Response 评分(\(n=1\))
    • 理解:这里 Pairwise 方法和 Pointwise 方法的最本质区别是:
      • Pairwise 方法在挑选最佳 Response,而 Pointwise 在给每个 Response 打分,但似乎并没有限制输入的 Response 数量
    • 问题:这里是不是也可以理解为 listwise?如何定义 listwise、pairwise 和 pointwise 更合适?
Representative Methods
  • 图 2 说明了三种奖励生成范式( Scalar 、 Semi-scalar 、生成式)如何与两种评分模式( Pointwise 、 Pairwise )结合
  • Specifically
    • Bradley-Terry 模型(1940)(Scalar + Pointwise)使用 Pairwise 偏好数据进行训练,并以 Pointwise 方式输出 Scalar 奖励:
      $$
      \{S_i\}_{i=1}^{n}=f_{\text{point} }\left(\mathcal{R},\{y_i\}_{i=1}^{n}\right)=\mathbf{S} \in \mathbb{R}^{n}.
      \tag{4}
      $$
      • 理解:上述公式的意思是,\(\{S_i\}_{i=1}^{n}\) 是一个 \(n\) 维的分数向量 \(\mathbf{S}\),且对应向量 \(\mathbf{S}\in \mathbb{R}^{n}\)
    • PairRM(2023)(Scalar + Pairwise)通过 Scalar 奖励的符号比较一对 Response :
      $$
      \hat{y}=f_{\text{pair} }\left(\mathcal{R},\{y_i\}_{i=1}^{n}\right)=y_{\left|\frac{1}{2}(3-\text{sgn}(S))\right|}, \quad n=2,S \in \mathbb{R}.
      \tag{5}
      $$
      • 上述两个 Scalar 方法由于奖励生成缺乏多样性,几乎无法进行推理时扩展
    • Cloud(2024)(Semi-Scalar + Pointwise)基于预先生成的 Critique 为每个 Response 生成 Scalar 奖励,类似于公式 4
      • 理解:先生成 Critique,然后通过 Critique 生成一个 Scalar 分数
    • LLM-as-a-Judge(2023; 2024)(Generative + Pairwise)以文本方式判断 Pairwise Response 之间的偏好顺序:
      $$
      \hat{y}=f_{\text{pair} }\left(\mathcal{R},\{y_i\}_{i=1}^{n}\right)=y_{f_{\text{extract} }(\boldsymbol{C})}, \quad n=2,
      \tag{6}
      $$
      • 其中 \(f_{\text{extract} }(\cdot)\) 从语言表示中提取最佳 Response 的索引
      • However,这种方法默认忽略了 Pairwise Response 的平局情况
      • 理解:LLM-as-a-Judge 其实是一种很广泛的泛指吧?只要是生成式的是不是基本上都属于 LLM-as-a-Judge 的范畴?
    • 根据 Zhang 等人(2025b),指示偏好顺序的 token 的生成概率可以用作 Scalar 奖励(Semi-Scalar + Pairwise):
      $$ \mathcal{S}=\text{TokenProb}(\hat{\boldsymbol{C} })=r_{\theta}(\hat{\boldsymbol{C} }|x,\{y_i\}_{i=1}^{n})$$
      • 其中 \(\hat{\boldsymbol{C} }\) 是与偏好顺序相关的预定义 token(pre-defined token related to the preference order)
      • 理解:这里的含义是:Token 的概率本身就可以作为一个偏好 Scalar 奖励
  • (论文的方法)在没有额外约束的情况下,GRMs 能够在纯语言表示中为多个 Response 生成 Pointwise 奖励(Generative + Pointwise):
    $$
    \{S_i\}_{i=1}^{n}=f_{\text{point} }\left(\mathcal{R},\{y_i\}_{i=1}^{n}\right)=f_{\text{extract} }(\boldsymbol{C}),
    \tag{7}
    $$
    • 其中 \(f_{\text{extract} }(\cdot)\) 从生成结果中提取分配给每个 Response 的奖励
    • Usually,奖励是离散的,在本工作中,我们设定为自然数 默认分配 \(S_i \in \mathbb{N},1 \leq S_i \leq 10\)
    • 这种方法同时实现了推理时扩展性和输入灵活性

Boosting Reward Quality with Principles

  • 通用 RM 需要在特定领域之外生成高质量的奖励(2021; 2024),在这些领域中奖励标准更加多样化和复杂,并且通常没有明确的参考或真实答案
    • 为此,对于通用领域,论文采用 Principle 来指导奖励生成,以代替人工规则
  • LLMs 的 Principle 首先在宪法式人工智能(Constitutional AI)中引入(2022b; 2025),这些是手工制定的准则(hand-crafted criteria),指导 LLMs 或精选的分类器构建安全的数据 Pipeline
  • 有了 Principle ,GRMs 的奖励生成变为:
    $$
    \mathcal{R}=\mathbf{C} \sim r_{\theta}\left(x,\{y_i\}_{i=1}^{n},\{p_i\}_{i=1}^{m}\right),
    \tag{8}
    $$
    • 其中 \(\{p_i\}_{i=1}^{m}\) 表示 Principle
    • 理解:这里就是指同时给出 Query、Response,评估指标(Principle),然后使用生成式模型评估奖励(即是否满足 Principle)
    • 论文进行了一项初步实验来检验适当 Principle 对奖励质量的影响,使用了 Reward Bench(2024)的 Chat Hard 子集和 PPE 基准(2025)的 IFEval 子集
  • 在实验中,数据样本包含一个 Query 和两个 Response ,真实标签表示更好的 Response
    • 论文使用 GPT-4o-2024-08-06 生成 Principle ,然后为每个样本生成四次 Pointwise 奖励
    • 论文从正确的奖励生成过程中筛选 Principle (正确的定义:即更大的奖励值被分配给 Token 为更好的 Response )
    • 理解:这里是在筛选对应 Chosen 分数高于 Rejected 分数的数据,Rubrics-based RL 筛选数据也可以这样来筛选
  • 论文用它们自己生成的 Principle 和筛选过的 Principle 测试不同的 LLMs,并将它们与无 Principle 指导的默认设置进行比较,结果如表 1 所示
    • 论文发现, 自生成的 Principle 几乎没有显著提升奖励质量 (注:经过过滤的 Principle 是可以提升奖励质量的 )
    • 这一结果并非微不足道(non-trivial),可以得出两个主要结论:
      • (a) 当前的 LLMs 可以生成多样化的 Principle ,但并非所有 Principle 都适合用于奖励生成
      • (b) 生成的 Principle 的一个子集可以在正确的准则下更好地指导奖励生成,这表明了自我引导(self-bootstrapping)的潜力
    • 这些发现是利用 Online RL 优化 GRMs 的基础,它们可以从自己生成的 Principle 中学习,并有一个清晰的信号来判断 Principle 是否合适
  • 其他细节在附录 D 中描述

Self-Principled Critique Tuning, SPCT

  • 受到初步结果的启发,论文为 Pointwise GRMs 开发了一种新颖的方法,学习生成能够有效指导 Critique 生成的自适应高质量 Principle ,称为 Self-Principled Critique 调优(Self-Principled Critique Tuning, SPCT)
  • 如图 3 所示,SPCT 包括两个阶段:
    • 第一阶段:作为冷启动的拒绝式微调(rejective fine-tuning)
    • 第二阶段:Rule-based Online RL,通过改进生成的 Principle 和 Critique 来强化通用奖励生成
      • SPCT 也在 GRMs 中培养了这些行为以实现推理时扩展
  • 图 3:SPCT 的图示,包括拒绝式微调、 Rule-based RL 以及推理期间相应的可扩展行为
    • 推理时扩展通过朴素投票或由大规模生成的 Principle 指导的 Mata RM 投票实现,从而在扩展的值空间内产生更细粒度的结果奖励

Unpinning Principles from Understanding to Generation(将核心原理从 “理解任务” 抽离并迁移到 “生成任务” 中)

  • 根据第 2.2 节的初步实验,论文发现适当的 Principle 可以在特定准则内指导奖励生成,这对于高质量奖励至关重要
    • However,大规模生成通用 RM 的有效 Principle 仍然具有挑战性
  • 为了解决这一挑战,论文提出 Unpinning Principles from Understanding to Generation,即将 Principle 视为奖励生成的一部分,而不是预处理步骤
  • 形式上, Principle 根据公式 8 指导奖励的生成,当 Principle 是预定义的时
    • GRMs 可以自己生成 Principle ,然后基于这些 Principle 生成 Critique ,形式化为:
      $$
      \{p_i\}_{i=1}^{m} \sim p_{\theta}\left(x,\{y_i\}_{i=1}^{n}\right), \quad \mathcal{R}=\mathbf{C} \sim r_{\theta}\left(x,\{y_i\}_{i=1}^{n},\{p_i\}_{i=1}^{m}\right),
      \tag{9}
      $$
    • 其中 \(p_{\theta}\) 是由 \(\theta\) 参数化的 Principle 生成函数,与奖励生成 \(r_{\theta}\) 共享同一模型
      • 在实践中,它们使用 LLMs 中的同一语言头实现
    • 这种转变使得 Principle 能够基于输入 Query 和 Response 生成,自适应地对齐奖励生成过程,并且 Principle 和相应 Critique 的质量和粒度可以通过 GRMs 的后训练进一步改进
      • 通过 大规模生成的 Principle ,GRMs 可能以更细的粒度和更广泛的考虑输出奖励,从而实现更好的推理时扩展性

Rule-Based Reinforcement Learning

  • 为了同时优化 GRMs 中的 Principle 和 Critique 生成,论文提出了 SPCT,它整合了拒绝式微调(rejective fine-tuning, RFT)和 Rule-based RL
    • RFT 的作用是冷启动
Rejective Fine-Tuning, Cold Start
  • 拒绝式微调阶段的核心思想是训练 GRM 以正确的格式为各种输入类型生成 Principle 和 Critique
  • 与之前混合不同格式的单个、 Pairwise 和多个(single, paired, and multiple) Response 的 RM 数据的工作(2024; 2024; 2025)不同,论文采用第 2.1 节介绍的 Pointwise GRM,灵活地以相同格式为任意数量的 Response 生成奖励
  • 对于数据构建,除了通用指令数据外,论文还通过给出 Query 和相应 Response 用预训练的 GRM 采样轨迹
    • 每个 RM 数据点(Data Point)包含一个 Query 和一个或多个对该 Query 的 Response ,以及表示最佳 Response 的真实标签
    • 对于每个 RM 数据点, Principle 和 Critique 的采样执行 \(N_{\text{RFT} }\) 次
      • 拒绝策略也是统一的,即拒绝以下两种情况:
        • 第一:预测奖励不正确的轨迹
        • 第二:所有 \(N_{\text{RFT} }\) 条轨迹都正确(太容易)的 Query 和 Response
    • 形式上,令 \(r_i\) 表示对 Query \(x\) 的第 \(i\) 个 Response \(y_i\) 的真实奖励,如果满足下面的条件,则认为预测的 Pointwise 奖励 \(\{S_i\}_{i=1}^{n}\) 是正确的
      $$
      \begin{cases}
      \forall i \neq j, \quad S_j > S_i, \quad j = \arg \max_{l}\{r_l\}_{i=l}^{n}, & \text{if } n \geq 2, \\
      S_1 = r_1, & \text{if } n = 1.
      \end{cases}
      \tag{10}
      $$
      • 只有一个 Response 时,当且仅当真实分数 \(r_1\) 和 预测分数 \(S_1\) 完全相等才算正确
      • 有多个 Response 时,当且仅当真实奖励中最大的 Response 对应的分数高于所有其他 Response(类似 Best-of-N)
    • 并保证真实奖励只包含一个最大值
  • However,与之前的工作类似(2025b),论文发现预训练的 GRMs 在有限的采样配额内很难为一部分 Query 和相应的 Response 生成正确的奖励
    • 理解:这里的问题是有限的采样次数可能是无法生成准确的评估轨迹的(即无法找到最佳的 Response)
  • Thus,论文可选择地将 \(\arg \max_{j}\{r_l\}_{l=1}^{n}\) 附加到 GRM 的提示中,称为 提示采样(hinted sampling) ,期望预测的奖励与真实情况一致,此外还有 非提示采样(non-hinted sampling)
    • 具体来说,将在输入中附加一个额外的片段 “The best response is: Response \(\arg \max_{i}\{r_l\}_{l=1}^{n}\)”
    • 对于提示采样,每个 Query 和相应的 Response 只采样一次 ,只有当轨迹不正确时才拒绝
      • 问题:这样的话,相当于先给答案(告诉模型最佳 Response 是谁),再让模型生成推理过程
    • 除了之前的研究(2024; 2024),论文观察到提示采样的轨迹有时在生成的 Critique 中走捷径,特别是对于推理任务,这表明了 Online RL 对 GRM 的必要性和潜在好处
Rule-Based RL
  • GRM 使用 Rule-based Online RL 进一步微调,论文使用 GRPO(2024)的原始设置以及 Rule-based 结果奖励
  • 在 rollout 期间,GRM 根据输入 Query 和 Response 生成 Principle 和 Critique ,然后提取预测的奖励并与真实值通过准确度规则进行比较
    • 与 DeepSeek-AI(2025)不同,论文不使用格式奖励
    • Instead,论文应用了更大的 KL 惩罚系数以确保格式并避免严重偏差
  • 形式上,对于给定 Query \(x\) 和 Response \(\{y_i\}_{i=1}^{n}\) 的第 \(i\) 个输出 \(o_i\) 的奖励是:
    $$
    \hat{r}_i=
    \begin{cases}
    1, & \text{if } n \geq 2 \text{ and } \forall i’ \neq j’, \quad S_{j’} > S_{i’}, \quad j’ = \arg \max_{l}\{r_l\}_{l=1}^{n}, \\
    1, & \text{if } n = 1 \text{ and } S_1 = r_1, \\
    -1, & \text{otherwise},
    \end{cases}
    \tag{11}
    $$
    • 其中 Pointwise 奖励 \(\{S_i\}_{i=1}^{n}\) 是从 \(o_i\) 中提取的
      • 问题:一个 \(o_i\) 中包含了所有的 Pointwise 奖励 \(\{S_i\}_{i=1}^{n}\) 吗?
    • 该奖励函数鼓励 GRMs 通过在线优化的 Principle 和 Critique 来区分最佳 Response ,有利于有效的推理时扩展
      • 奖励信号可以从任何偏好数据集和带标签的 LLM Response 中无缝获得
      • 理解:即有 Chosen/Rejected 或 Best-of-N 数据的样本都可以用来训练
    • 理解:上述奖励跟前面的 RFT 类似:
      • 只有一个 Response 时,当且仅当真实分数 \(r_1\) 和 预测分数 \(S_1\) 完全相等才算正确
      • 有多个 Response 时,当且仅当真实奖励中最大的 Response 对应的分数高于所有其他 Response(类似 Best-of-N)
        • 理解:在当前的设计下,有多个 Response 时,所有 Response 的分数是同时为 1(预测正确)或 -1(预测错误)的

Inference-Time Scaling with SPCT

  • 为了进一步利用更多推理计算资源来提升 DeepSeek-GRM 在通用奖励生成上的性能,论文探索了基于采样的策略,以实现有效的推理时扩展性

Voting with Generated Rewards

  • 投票是 RM 中广泛采用的实现推理时扩展的方法
  • 回顾第 2.1 节的方法,论文展示了 Semi-scalar RM 和生成式 RM 对于 \( k \) 个样本的投票结果
  • 对于 Semi-scalar RM (2024; ),投票以平均方式进行:
    $$
    S^* = \frac{1}{k} \sum_{i=1}^{k} S_{i}, \quad \{\mathcal{R}_{i}=(S_{i}, C_{i})\}_{i=1}^{k} \sim r_{\theta} \left( x, \{y_{i}\}_{i=1}^{n} \right),
    $$
    • 其中 \( S^* \) 是最终奖励
    • 在实践中, Scalar 值方差有限,这可能会阻碍扩展性
  • 对于 Pairwise GRM (2024; ),投票以多数表决方式选择被识别为最佳的 Response :
    $$
    \hat{y}^* = \arg \max_{y} \sum_{i=1}^{k} \mathbb{I}(y = \hat{y}_{i}), \quad \{\mathcal{R}_{i}=C_{i}\}_{i=1}^{k} \sim r_{\theta} \left( x, \{y_{i}\}_{i=1}^{n} \right),
    $$
    • 其中 \( \hat{y}^* \) 是最终预测的最佳 Response
    • \( f_{\text{pair} }(\cdot, \cdot) \) 是一个选择函数
    • \( \hat{y}_{i} = f_{\text{pair} }(\mathbf{C}_{i}, \{y_{i}\}_{i=1}^{n}) \) 是每个样本单独选择的最佳 Response
    • \( \mathbb{I}(\cdot) \) 是指示函数
    • 虽然投票过程是可扩展的,但由于每个样本中不允许出现平局,多数投票结果可能存在偏差,并且由于缺乏量化分数,可能无法区分 Response 之间的细微差别
  • Pointwise GRM 的投票过程定义为奖励求和:
    $$
    S_{i}^{*} = \sum_{j=1}^{k} S_{ij}, \quad \{p_{ij}\}_{i=1}^{m_{j} } \sim p_{\theta} \left( x, \{y_{i}\}_{i=1}^{n} \right), \mathcal{R}_{j} = C_{j} \sim r_{\theta} \left( x, \{y_{i}\}_{i=1}^{n}, \{p_{ij}\}_{i=1}^{m_{j} } \right), j=1,…,k,
    $$
    • 其中 \( S_{i}^{*} \) 是第 \( i \) 个 Response (\( i=1,…,n \)) 的最终奖励,且 \( \{S_{ij}\}_{i=1}^{n} = f_{\text{point} }(C_{j}, \{y_{i}\}_{i=1}^{n}) \) 是第 \( j \) 组 Pointwise 奖励
    • 由于 \( S_{ij} \) 通常被设定在一个较小的离散范围内, 例如 \{1,…,10\},投票过程实际上将奖励空间扩展了 \( k \) 倍,并使 GRM 能够生成大量 Principle ,这有益于最终奖励的质量和粒度
      • 一个直观的解释是,如果每个 Principle 可以被视为判断视角的代理,那么更多的 Principle 可能更准确地反映真实分布,从而产生扩展效果。值得注意的是,为了避免位置偏差并增加多样性,在采样前会对 Response 进行打乱

Meta Reward Modeling Guided Voting

  • DeepSeek-GRM 的投票过程需要多次采样,并且由于随机性或模型限制,少量生成的 Principle 和评判 (Critique) 可能存在偏差或质量低下
    • 因此,论文训练了一个 Mata RM 来引导投票过程(guide the voting process)
  • Mata RM 是一个 Pointwise Scalar RM,旨在识别 DeepSeek-GRM 生成的 Principle 和 Critique 的正确性,使用二元交叉熵损失,其中标签根据公式 10 确定
    • 提示模板见附录 G,整合了 Query 、候选 Response 、相应 Principle 和 Critique
  • 数据集包括 RFT 阶段来自非提示采样的轨迹,以及来自待引导的 DeepSeek-GRM 的采样轨迹,这既能提供足够的正负奖励,又能缓解训练与推理策略之间的差距,正如 Chow 等 (2025) 所建议
  • 引导的投票过程很简单(即使用 Meta RM 的方式):
    • Mata RM 输出 \( k \) 个采样奖励的元奖励,最终结果由元奖励最高的前 \( k_{\text{meta} } \leq k \) 个奖励进行投票得出,从而过滤掉低质量样本

Results on Reward Modeling Benchmarks

Experiment Settings

Benchmarks and Evaluation Metrics
  • 论文在不同领域的多个 RM 基准测试上评估不同方法的性能:
    • Reward Bench (RB) (2024),PPE(偏好和正确性子集)(2025),RMB (2025),Real.Mistake (2024)
  • 论文对每个基准测试使用标准评估指标:Reward Bench、PPE 和 RMB 中从一组 Response 中选取最佳 Response 的准确率,以及 Real.Mistake 的 ROC-AUC
  • 为了处理多个 Response 预测奖励出现平局的情况,论文打乱 Response 顺序,并通过 \( \arg \max_i S_i \) 确定最佳 Response ,其中 \( S_i \) 是打乱后第 \( i \) 个 Response 的预测奖励
  • 细节见附录 D
Method Implementation
  • 对于基线方法,论文基于 Gemma-2-27B (2024) 并采用与 DeepSeek-GRM 兼容的所有训练数据和设置,重新实现了 LLM-as-a-Judge (2023),DeepSeek-BTRM-27B(Bradley-Terry 模型)(1940),CLoud-Gemma-2-27B (2024) 和 DeepSeek-PairRM-27B (2023)
  • 对于论文的方法,论文基于 Gemma-2-27B 实现了 DeepSeek-GRM-27B-RFT,并在不同规模的 LLM 上实现了 DeepSeek-GRM,包括 DeepSeek-V2-Lite (16B MoE) (2024a),Gemma-2-27B,DeepSeek-V2.5 (236B MoE) 和 DeepSeek-V3 (671B MoE) (2024b)
  • Mata RM 在 Gemma-2-27B 上训练
  • 默认结果使用 贪婪解码(greedy decoding) 报告,推理时扩展(inference-time scaling)使用温度 = 0.5
  • 其他细节见附录 C

Results and Analysis

Performance on RM Benchmarks
  • 不同方法和模型在 RM 基准测试上的总体结果如表 2 所示
  • 论文将 DeepSeek-GRM-27B 的性能与公开模型的报告结果(Reported Results of Public Models)以及基线方法的复现结果(Reproduced Result of Baseline Methods)进行比较
    • 论文发现 DeepSeek-GRM-27B 在整体性能上优于基线方法,并且与强大的公开 RM(如 Nemotron-4-340B-Reward 和 GPT-4o)相比取得了有竞争力的性能;通过推理时扩展,DeepSeek-GRM-27B 可以进一步改进并获得最佳的整体结果
  • 详细比较来看, Scalar(DeepSeek-BTRM-27B)和 Semi-scalar(CLoud-Gemma-2-27B)RM 在不同基准测试上表现出有偏差的结果,在可验证任务(PPE Correctness)上的性能明显优于所有生成式 RM,但在其他不同基准测试上分别失败
    • 问题:如何理解 Skywork-Reward-Gemma-2-27B 反而是在 Reward Bench 上分数很高,其他任务上分数很低呢?是过拟合吗?
  • 尽管如此,大多数公开的 Scalar RM 也表现出严重的领域偏差
    • PairRM 方法可以缓解这个问题
  • LLM-as-a-Judge 与 DeepSeek-GRM-27B 显示出相似的趋势但性能较低,可能是由于缺乏对单 Response 评分的训练
  • 总之,SPCT 提升了 GRM 的通用奖励生成能力,与 Scalar 和 Semi-scalar RM 相比,偏差显著减少
Inference-Time Scalability
  • 不同方法的推理时扩展结果如表 3 所示,总体趋势如图 1 所示
  • 细节见附录 D.3
  • 在最多 8 个样本的情况下(即 Voting@8),论文发现 DeepSeek-GRM-27B 相对于贪婪解码和采样结果的性能提升最高
    • DeepSeek-GRM-27B 进一步显示出使用更多推理计算资源(最多 32 个样本)提升性能的强大潜力
    • 论文将这种有效性归因于细化的 Principle 生成,它以结构化的方式扩展了输出长度,并引导结果奖励更接近真实分布
  • Mata RM 也显示出其在每个基准测试上为 DeepSeek-GRM 过滤低质量轨迹的有效性
  • 使用 Token 概率进行投票的 LLM-as-a-Judge 也显示出显著的性能提升,这表明 作为量化权重(Quantitative Weights)的 Token 概率可以帮助提高仅基于离散索引进行多数投票的可靠性
  • 对于 CLoud-Gemma-2-27B,性能提升有限
    • 主要是因为 Scalar 奖励生成缺乏方差,即使 Critique 发生了很大变化
  • In Summary,SPCT 提升了 GRM 的推理时扩展性,而 Mata RM 进一步提升了通用场景下的扩展性能
Ablation Study
  • 表 4 展示了所提出的 SPCT 不同组件的消融研究结果,详细结果列在附录 D.3
    • 令人惊讶的是(Surprisingly),即使没有经过拒绝采样 Critique 数据的冷启动,经过通用指令微调的 GRM 在经历 Online RL 后性能仍有显著提升(66.1 → 68.7)
      • 理解:这里是指使用 Online RL 去训练 GRM,这里对比的是第8行模型(仅包含通用指令微调)和第3行模型(在通用指令微调模型上经过了 Online RL 的模型)
    • Also,非提示采样似乎比提示采样更重要
      • 可能是因为提示采样轨迹中出现了走捷径的现象
    • 以上这些都表明了 GRM 在线训练的重要性
  • 与先前工作一致,论文确认通用指令数据对于 GRM 的性能至关重要
    • 论文发现 Principle 生成对于 DeepSeek-GRM-27B 的贪婪解码和推理时扩展性能都至关重要
  • 对于推理时扩展, Mata RM 引导的投票在不同的 \( k_{\text{meta} } \) 下表现出鲁棒性
  • 关于通用 RM 性能的进一步分析,包括输入灵活性、训练数据的领域泛化等,在附录 E 中讨论
Scaling Inference and Training Costs
  • 论文通过在不同规模的 LLM 上进行后训练,进一步研究了 DeepSeek-GRM-27B 的推理时和训练时扩展性能
  • 模型在 Reward Bench 上进行测试,结果如图 4 所示
  • 论文发现,使用 32 个样本直接投票的 DeepSeek-GRM-27B 可以达到与 671B MoE 模型相当的性能,而 Mata RM 引导的投票仅用 8 个样本即可获得最佳结果
    • 这证明了 DeepSeek-GRM-27B 的推理时扩展相较于扩展模型规模有更高的有效性
  • Moreover,论文在包含 300 个样本的下采样测试集上测试了 DeepSeek-R1-0120,发现其性能甚至低于 236B MoE RFT 模型
    • 这表明扩展长思维链进行推理任务并不能显著提升通用 RM 的性能

Related Work

Generative Reward Models

  • GRM 代表了从 Scalar RM (2022) 的范式转变,将奖励建模为文本反馈或分数
  • (2024a; 2024; 2025a; 2024; 2024; 2025),实现了更丰富的奖励表示和更灵活的单个及多个 Response Critique
  • 此前,LLM-as-a-judge 方法 (2023; 2024c) 支持基于参考或无参考的 Pairwise Critique 来评估 LLM
  • 最近的研究使用离线和 Online RL 来训练 GRM (2024; 2024; 2025b; 2025b; 2025),将工具和外部知识与 GRM 结合 (2024b; 2025),甚至训练 GRM 作为调整环境奖励的接口 (2025)
  • 尽管这些方法在效率上面临挑战,但它们展示了大规模改进奖励的潜力,朝着更通用的奖励系统发展

Inference-Time Scaling for LLMs

  • LLM 的推理时扩展一直是一个与训练时扩展并行的重要研究方向
  • 研究集中于采样和 RM 引导的聚合 (2024; 2024; 2025; 2025)
  • 最近,从 LLM 中激励产生的长思维链 (2022) 显著提升了模型在解决 (OpenAI, 2024; DeepSeek-AI, 2025; OpenAI, 2025a) 和 Critique (2025; 2025) 困难可验证问题时的推理能力,这是推理时扩展的另一种形式
  • 然而,论文没有找到像 DeepSeek-AI (2025) 那样有效激励长范围奖励生成以实现通用奖励建模的方法,论文将推理与 Principle 引导的奖励生成的结合留待未来的工程努力
  • 也有研究使用可扩展的奖励或验证器来提升策略模型在编码 (2023)、推理 (2025) 等领域的性能
  • 因此,本工作中推理时可扩展的通用 RM 的发展,也可能通过推理时协同扩展,为策略模型的通用性能做出贡献

Ethics Statement

  • 论文提出的方法,自 Principle Critique 调优 (SPCT),旨在增强生成式奖励模型在通用领域的推理时扩展性
    • 尽管这一进展促进了奖励建模的准确性和一致性,但有几个伦理影响可能需要明确考虑
  • 首先,尽管通过论文的实证分析表明 DeepSeek-GRM 在不同领域表现出较少的偏差,但当训练数据存在毒性时,自动生成的 Principle 和 Critique 可能会无意中延续或放大偏差
    • 作者认为应该优先研究 Mata RM 和其他偏见缓解策略,以确保公平的结果
    • 此外,论文的方法并非旨在削弱人类监督
      • 相反,论文主张维护人在环路框架,并开发可靠的代理方法(如 SPCT)来更高效、更有效地扩展人类监督
  • 其次,推理时可扩展 GRM 在多样化领域的适用性扩大,可能会引发关于透明度、问责制等方面的担忧
    • 由于奖励生成行为很大程度上源于自我引导,不忠实的 Principle 和 Critique 的可能性是不可忽视的
    • 论文在附录 F.1 中展示了案例研究,在附录 B 中说明了局限性,并在公开监督下开源了模型,这对于维护信任和确保工件的负责任部署至关重要
  • 最后,在不同 RM 基准测试和实际场景中进行稳健的验证和持续的警惕仍然至关重要
    • 负责任地使用 DeepSeek-GRM 需要主动管理风险并持续评估偏见,这需要在 RM 评估研究方面付出努力

附录 A:Additional Related Work

Constitutional AI

  • Constitutional AI 已成为传统 RLHF (2022) 的一个可扩展替代方案,旨在通过一套指导 Principle 或“宪法”使语言模型与人类价值观对齐 (2022b; 2023, 2024),用基于这些人工制定 Principle 的AI生成反馈 (2024) 或分类器 (2025) 替代人类 Critique
  • 类似地, Rule-based 方法如 Sparrow (2022) 和 Rule-Based Rewards (RBR) (2024) 将明确的自然语言规则纳入特定领域(如安全性)的训练循环中
  • 尽管这些方法有效,但它们依赖于静态的、人工编写的宪法,这些宪法在范围上有限、可能存在偏见且不够灵活
    • 这激发了人们对自动化生成或改进 Principle 的兴趣,这也与论文本工作的目标相一致

Scalar Reward Models

  • Scalar 奖励模型最初是为 LLMs 提出,作为人类反馈的代理模型 (2020; 2023)
  • 近期的研究侧重于 Bradley-Terry 建模 (1940) 和其他回归方法,以提高 Scalar 奖励模型在通用偏好上的表达能力 (2024; 2024e, 2024b; 2024; 2025b)
  • 与这些结果奖励模型相比,过程奖励模型被提出作为推理问题(如数学等)的步骤验证器 (2021; 2024b; 2025b),展示了 Scalar RM 在具有广泛推理和知识的正式领域中的可行性
  • Scalar RM 的优点是简单且计算高效,但表达能力有限,并且难以跨不同输入类型进行泛化或在推理时细化奖励信号

Semi-Scalar Reward Models

  • Semi-scalar 奖励模型旨在通过文本中间表示来丰富 Scalar 奖励信号 (2025a; 2024)
    • (2025b) 提出通过提高生成的 critiques 的质量来最终改进奖励生成
  • 一些研究使用 token 概率来替代 Scalar 头部进行奖励提取 (2024; 2025a)
  • 以上这些工作表明
    • Semi-scalar RM 在基于采样和投票的推理时扩展方面面临挑战,导致性能提升有限
    • Semi-scalar 方法在效率和效果之间权衡了 Scalar RM 和 GRM

附录 B:Limitations and Future Directions

Limitation

  • 尽管 SPCT 显著提升了 GRM 的性能和推理时扩展性,并在通用领域超越了(Semi)Scalar RM,但它仍面临一些局限性
  • (1) 生成式 RM 的效率本质上远远落后于同等规模的 Scalar RM,这抑制了其在 Online RL Pipeline 中的大规模使用
    • 然而,由于论文采用并行采样进行推理时扩展,使用合理数量的采样(例如8次)进行奖励生成的延迟不会显著增加
    • 围绕 LLM 高效生成和 RM 应用创新的进一步研究可能缓解此问题
  • (2) 在特定领域(如可验证任务)中,DeepSeek-GRM 仍然落后于 Scalar 模型
    • 这可能是因为 Scalar RM 捕获了推理 Query 和 Response 的隐藏特征 ,而 GRM 需要更强的推理能力来彻底检查 Response
      • 然而, Scalar RM 存在严重的偏见和扩展性问题
    • 对于 GRM,论文发现基于参考的奖励生成(附录 E.1.3)和长链条推理(附录 D.3)可以缓解这一局限
  • (3) 由于 Pointwise GRM 方法的普适性,DeepSeek-GRM 除了作为结果 RM 外,还可能作为过程 RM
    • 尽管论文在论文中没有深入探索这个方向,但在 Reward Bench 的 Reasoning 子集(主要包含 MATH-prm 数据 (2024))上的性能部分支持了这种应用的潜力

Future Direction

  • 基于 SPCT 或 DeepSeek-GRM 模型,未来研究有几个有希望的方向
  • (1) 先前工作研究了 RM 的工具集成 (2024b),也可用于 DeepSeek-GRM 增强
    • 使用诸如代码解释器和搜索引擎接口等工具 ,生成的 critiques 对于需要严格流程或广泛知识的任务可能更准确,并且可以避免 GRM 在遵循与数值计算、模式匹配等相关 Principle 时失败的情况
  • (2) Principle 和 critiques 的生成范式可以分解 为不同阶段,即 Principle 可以为每个待评分的 Query 和 Response 预先生成并存储,然后使用 GRM、规则或其他智能体方法生成 critiques
    • Principle 生成作为后续 critiques 的接口
    • 这可能会提高当前 GRM 集成到 RL Pipeline 中的效率
  • (3) DeepSeek-GRM 可能用于 LLM 离线评估
    • 由于每个 Principle 反映了一个标准,我们可以从特定 LLM 劣于另一个 LLM 的所有数据点中获取标准,作为解释该特定 LLM 弱点的可解释协议
    • 问题:实践发现,如果 Principle 是 Query-Specific 的,此时使用 Chosen 和 Rejected 来作为 Rubrics 生成参考容易出现过拟合,是否在通用的 Rubrics 中使用更合适?
  • (4) DeepSeek-GRM 可能受益于长链条推理
    • 然而,这会进一步影响其效率
    • 这些方向应在未来工作中进行研究

附录 C:Implementation Details

C.1 Model Training

  • 对于 Rule-based Online RL,论文使用标准的 GRPO 设置 (2024),总体目标函数为:
    $$
    \begin{align}
    \mathcal{J}_{\text{GRPO} }(\theta)=\mathbb{E}_{[q\sim P(Q),\{o_{i}\}_{i=1}^{G}\sim\pi_{\theta_{old} }(O|q)]} &\frac{1}{G} \sum_{i=1}^{G} \frac{1}{|o_{i}|} \sum_{t=1}^{|o|} \\
    &\left\{\min\left[\frac{\pi_{\theta}(o_{i,t}|q.o_{i<t})}{\pi_{\theta_{old} }(o_{i,t}|q.o_{i<t})}\hat{A}_{i,t}, \text{clip}\left(\frac{\pi_{\theta}(o_{i,t}|q.o_{i<t})}{\pi_{\theta_{old} }(o_{i,t}|q.o_{i<t})}, 1-\epsilon, 1+\epsilon\right)\hat{A}_{i,t}\right]-\beta\mathbb{D}_{KL}\left[\pi_{\theta}||\pi_{ref}\right]\right\},
    \end{align}
    $$
    • 其中 \(\hat{A}_{i,t}=\frac{\hat{r}_{t}-\text{mean}(\hat{t})}{\text{std}(\hat{t})}\),\(G\) 是组大小,\(\beta\) 是 KL 惩罚系数,\(q=(x,\{y_{i}\}_{i=1}^{n})\) 包含 prompts
    • 论文对超参数 \(\beta\in\{0.00,0.01,0.02,0.08\}\) 进行了网格搜索,发现 \(\beta=0.08\) 是 DeepSeek-GRM-27B 最稳定的配置
      • 当 KL 系数太小时,DeepSeek-GRM-27B 倾向于在基准测试的几个子集上崩溃,例如 Reward Bench 中的 Chat 子集和 RMB 中的 Harmlessness 子集,并对其他一些领域表现出偏见
      • 对于较小的 DeepSeek-GRM-16B,论文使用 \(\beta=0.002\),因为它对 KL 损失系数不那么敏感
    • 论文设置 \(G=4\) 以在效率和性能之间取得更好的平衡
  • 训练集包含 1256K RFT 数据,包括 \(1070\)K 通用指令数据和 \(186\)K 拒绝采样数据,以及 \(237\)K RL 数据
    • 通用指令数据来自内部数据集
    • 拒绝采样数据和 RL 数据来自相同的 RM 数据集,包含对单个、 Pairwise 和多个 Response 的偏好,这些数据由内部数据和开源数据集构建,包括来自 MATH (2021)、UltraFeedback (2024)、OffsetBias (2024)、Skywork-Reward-Preference-80K-v0.2 (2024) 和 HelpSteer2-Preference (2025b) 的训练集
      • Specifically,由于 UltraFeedback 的部分数据存在质量问题,论文重新标记了其偏好标签;
      • 论文根据 Rule-based ground-truth 匹配对 MATH 进行采样和过滤轨迹,生成 Pairwise 偏好数据;
    • 对于评分单个 Response ,论文将正确 Response 的 ground-truth 奖励设置为 1,错误 Response 的奖励设置为 0,仅纳入可验证的问题
    • 对于拒绝采样,论文使用 DeepSeek-v2.5-0905 生成带有 Principle 和 critiques 的轨迹
    • 采样次数 \(N_{\text{RFT} }\) 设置为 3
    • 在 HelpSteer2 上进行 hinted sampling 时,论文添加原始数据集中标注的偏好强度作为提示
    • 论文还从 RL 数据中移除了对 DeepSeek-V2-Lite-Chat 来说过于简单的样本 ,即根据公式 (10),所有生成的奖励在三次生成中都是正确的
  • DeepSeek-GRM 模型和 meta RM 的派生关系(derivation)如图 5 所示
    • 所有 DeepSeek-GRM 模型都是从 LLM 的预训练版本开始训练的
    • 对于 meta RM 的训练,论文复用了 RFT 阶段的拒绝采样数据,并使用 DeepSeek-GRM-27B 进行拒绝采样,\(N_{\text{RFT} }=3\),以避免 meta RM 引导投票中的潜在偏见 (2025)
    • meta RM 训练的学习率为 \(1\times 10^{-5}\),批次大小为 512
  • DeepSeek-GRM-27B 的 RFT 和 RL 训练时间如表 5 所示,基于 Gemma-2-27B 的模型在 Fire-Flyer 平台 (2024) 上使用 128 个 A100 GPU 进行训练
    • RFT 阶段的学习率为 \(5\times 10^{-6}\),RL 阶段的学习率为 \(4\times 10^{-7}\),RFT 阶段的批次大小为 1024,RL 阶段为 512
      • 两个阶段均训练 900 步
    • 由于资源限制,大于 27B 的 DeepSeek-GRM 模型未经过 Rule-based RL,仅使用 50K 拒绝采样数据进行训练

C.2 Baseline Implementation

  • 对于基线方法,论文基于 Gemma-2-27B (Team, 2024) 并采用与 DeepSeek-GRM 兼容的所有训练数据和设置,重新实现了 LLM-as-a-Judge (2023)、DeepSeek-BTRM-27B (Kendall & Smith, 1940)、CLoud-Gemma-2-27B (2024) 和 DeepSeek-PairRM-27B (2023)
  • 对于 LLM-as-a-Judge ,
    • 论文使用与 DeepSeek-GRM-27B 完全相同的训练配置,包括使用 DeepSeek-v2.5-0905 的拒绝采样数据进行 RFT 和 Rule-based Online RL
    • 由于其评分模式,RL 阶段只能使用 Pairwise 数据
    • 对于 CLoud-Gemma-2-27B ,论文也使用相同的 prompt 模板从 DeepSeek-v2.5-0905 生成 pointwise critiques
      • 然而,由于没有训练好的价值头就无法提取奖励,执行拒绝采样是不可行的
      • 论文使用 DeepSeek-GRM-27B 的相同通用指令数据以及采样的 critique 对 Gemma-2-27B 进行微调,得到一个 critique 生成模型
      • 具体来说,论文微调了另一个带有价值头的 Gemma-2-27B 模型用于奖励生成,而不是在 critique 模型上进行事后的价值头训练
    • CLoud-Gemma-2-27B 的价值头、DeepSeek-BTRM-27B 和 DeepSeek-PairRM-27B (2023) 的训练使用与 DeepSeek-GRM-27B 的 RL 阶段相同的数据集,但排除了单个 Response 评分数据

附录 D:Experiment Details

D.1 Hyper-Parameters

  • 对于 DeepSeek-GRM-27B、DeepSeek-GRM-16B、LLM-as-a-Judge 和 CLoud-Gemma-2-27B 的推理时扩展结果,每个模型的温度 (temperature) 设置为 0.5
    • 对于其他实验,所有模型的温度设置为 0
  • 在没有特定说明的情况下,DeepSeek-GRM-27B 的 meta RM 引导投票中默认 \(k_{\text{meta} }=\frac{1}{2}k\)
  • 对于 DeepSeek-R1-0120 的推理,温度设置为 0.6
  • 请注意,论文让 DeepSeek-GRM 在 Real.Mistake 基准测试中为单个 Response 评分时,输出的奖励范围与其他基准测试相同

D.2 Benchmarks

  • 论文在不同领域的各种 RM 基准上评估不同方法的性能:
    • (1) Reward Bench (RB) (2024),一个常用的 RM 评估基准,包含半自动收集的聊天 (2023; 2023; 2024)、推理 (2024; 2024) 和安全性 (Rö2024; 2024d) 偏好数据,其中每个 Query 需要对两个 Response 进行排序;
    • (2) PPE (2025),一个包含众包偏好数据和可验证任务正确性数据的大规模基准,每个 Query 有两个 Response ;
    • (3) RMB (2025),一个更全面的基准,包含各种类型的偏好数据,侧重于帮助性和无害性,每个 Query 有两个或更多 Response ,分别在 Pairwise 和 best-of-N (BoN) 子集中;
    • (4) Real.Mistake (2024),一个用于诊断单个 Response 中错误的基准
    • 论文在总体分数计算中不包括 Reward Bench 基准测试的 prior sets (2022a; 2021; 2022; 2020)
    • 对于报告的公开模型结果,论文使用每个基准发布的分数
      • gpt-4o 的版本略有不同,因为论文报告的是 gpt-4o-2024-08-06 在 Reward Bench 和 PPE(Correctness 子集使用 AlpacaEval prompt 模板复现)上的结果,以及 gpt-4o-2024-05-13 在 RMB 上的结果
  • 论文为每个基准使用标准评估指标:在 Reward Bench、PPE 和 RMB 中从一组 Response 中挑选最佳 Response 的准确度,在 Real.Mistake 中使用 ROC-AUC
    • RMB 基准测试的 BoN 子集每个 Query 包含多个 Response ,只有当最佳 Response 被识别时,每个数据点才被视为正确
    • 评估模型在 RMB BoN 子集上的默认设置是,如果总共有 \(n\) 个 Response,则 Pairwise 评估 \((n-1)\) 对(每对包含最佳 Response 和另一个不同的 Response)
      • 对于基线方法,论文采用这种方法进行评估
      • 而对于论文的模型 (DeepSeek-GRM),论文直接将所有 Response 输入模型,并通过 \(\arg\max_{i} S_i\) 识别最佳 Response ,其中 \(S_i\) 是第 \(i\) 个 Response 的预测奖励
        • 这是一种更直接但也更困难的方式,并且几乎不影响性能
        • 请参阅附录 E.1.1 的经验分析
        • 问题:这里再次强调了论文是同时将所有 Response 输入模型的
  • 对于 DeepSeek-R1-0120,由于推理成本和延迟巨大,论文从 Reward Bench 基准测试中均匀下采样了 300 个数据点,并在该子集上测试 DeepSeek-R1-0120
    • 结果如图 4(b) 所示

D.3 Detailed Results

  • 论文在图 6 中提供了图 1 的详细结果,并提供了更多公开模型的性能作为参考
  • 论文在表 6 中提供了表 3 的详细结果
  • 在表 7 中提供了表 4 的详细结果,并给出了每个 RM 基准测试的分数
  • 此外,论文列出了所有测试方法在每个 RM 基准测试上的详细结果,Reward Bench 基准测试的结果在表 8 中,PPE Correctness 基准测试在表 9 中,RMB 基准测试在表 10 中
    • 论文发现,DeepSeek-R1 在 Reward Bench 的 Reasoning 子集中取得了最高结果,表明长链条推理可以提升 GRM 在广泛推理场景中的表现

附录 E:Additional Experiments

E.1 Input Flexibility of the Pointwise GRM Approach

  • 在章节 2.1 中,论文从理论上论证了 pointwise GRM 方法的输入灵活性
    • 在本节中,论文提供了各种输入类型的经验证据来支持这一观点
E.1.1 Generating Rewards for Many Responses
  • 在表 11 中,论文展示了 DeepSeek-GRM-27B 在 RMB 基准测试 BoN 子集上的实验结果,其中每个 Query 有多个 Response
  • 如果总共有一个 Query 有 \(n, (n>2)\) 个 Response , Pairwise 输入设置是评估 \((n-1)\) 对,每对包含最佳 Response 和其他 Response ,只有当最佳 Response 从所有 \((n-1)\) 对中被正确识别时,该数据点才被视为正确
    • 这也是原始基准测试的默认设置
  • 论文比较了 DeepSeek-GRM-27B 在 Pairwise 输入和列表输入设置下的性能,列表输入设置是输入所有 \(n\) 个 Response 来识别最佳 Response
    • 结果表明,DeepSeek-GRM-27B 几乎不受输入类型的影响,在帮助性和无害性子集上的性能差异都小于 1%
    • 这表明 pointwise GRM 可以灵活地输入多个 Response ,并且性能对输入类型不敏感
E.1.2 Generating Rewards for Single Responses
  • 在表 13 中,论文展示了 DeepSeek-GRM-16B 和 DeepSeek-GRM-27B 在 Real.Mistake 基准测试上的实验结果,其中每个 Query 只有一个 Response
    • 论文与公开模型(如 DeepSeek-V2.5-0905、GPT-4o-2024-08-06、DeepSeek-V2-Lite 和 Gemma-2-27B-it)以及 DeepSeek-BTRM-27B 进行了比较
    • 结果显示,DeepSeek-GRM 在同等规模的模型中取得了最佳性能,并且通过推理时扩展,性能与最佳公开模型相当
    • 这表明 pointwise GRM 可以有效地对单个 Response 进行评分
E.1.3 Generating Rewards with Reference
  • 在章节 5.2 中,论文展示了 Scalar 和 Semi-scalar RM 可能存在显著的领域偏见,并且通常在可验证问题上表现更好
  • 为了缓解这个问题,论文测试了 DeepSeek-GRM-27B 在这些任务中使用参考(即每个 Query 的 ground truth)生成奖励的能力
  • 结果如表 12 所示
    • 论文发现,在提供参考的情况下,DeepSeek-GRM-27B 可以达到超过 90% 的准确率
    • 这表明 pointwise GRM 可以有效地根据参考判断 Response ,从而缓解了在可验证任务上的性能问题

E.2 Transferability of Generated Principles

  • 论文用 DeepSeek-GRM-27B 生成的 Principle 扩展了章节 2.2 中的初步实验
  • 论文测试了 GPT-4o-2024-08-06 和 DeepSeek-GRM-27B 使用与表 1 完全相同的手动过滤 Principle 以及上述 DeepSeek-GRM-27B 生成的 Principle
  • 结果如表 14 所示
    • 论文发现 DeepSeek-GRM-27B 生成的 Principle 可以迁移到其他模型,甚至比手动从 GPT-4o 过滤的 Principle 略好
    • 这表明 DeepSeek-GRM-27B 生成的 Principle 是稳健的且可迁移到其他模型

E.3 eneralization beyond Training Data

  • 论文对 DeepSeek-GRM-27B 训练数据的泛化能力进行了消融研究
  • 论文移除了 MATH 训练集中的所有数据,并重新实施了训练方案
  • 在 Reward Bench 基准测试上的结果如表 15 所示
    • 论文发现,仅添加与数学相关的偏好数据也可以提升通用 RM 在不同领域上的性能,尤其是在 Chat Hard 子集上
    • 结果表明 DeepSeek-GRM-27B 可以泛化到训练数据覆盖范围之外的领域

E.4 Response Length Analysis for Rule-Based RL

  • 论文在图 7 中计算了 DeepSeek-GRM-27B 在进行 Rule-based Online RL 前后在 Reward Bench 基准测试各子集上的 Response 长度
    • DeepSeek-GRM-27B 的 token 计数基于 Gemma-2-27B 的 tokenizer 计算,而 DeepSeek-R1-0120 的结果使用其对应的 tokenizer
    • 论文发现,Chat 子集的 Response 长度在 RL 后几乎没有增加,而 Safety 子集的 Response 长度甚至略有下降
    • Response 长度增加最大的是在 Reasoning 子集,根据表 8,DeepSeek-GRM-27B 在该子集上的性能相比 DeepSeek-GRM-27B-RFT 也提升最大
    • 这可能表明 DeepSeek-GRM-27B 学会了在广泛推理任务上自适应地使用更多推理计算资源,并且在模型学会准确生成 Principle 后,可以节省一些其他领域(如安全性)的计算
    • 然而,DeepSeek-R1-0120 使用了多得多的 tokens 却取得了更低的结果(Reasoning 除外),这表明长链条推理也有助于与广泛推理相关的 RM 任务

附录 F:Qualitative Analysis

F.1 Case Study

  • 论文在表 16、17 和 18 中提供了 DeepSeek-GRM-27B 的案例研究

  • 第一个案例表明, Scalar RM DeepSeek-BTRM-27B 在特定情况下可能被攻击或存在偏见,而 DeepSeek-GRM-27B 生成文本 Principle 和 critiques,表现出更好的鲁棒性

  • 第二个案例展示了 DeepSeek-GRM-27B 的可扩展行为,通过在多个样本上投票生成准确的奖励

    • 相应的 meta RM 分数也显示了 meta RM 在引导投票过程中的有效性
  • 第三个案例展示了 DeepSeek-GRM-27B 的潜在失败,这是由于模型无法根据某些 Principle(例如评估实时数据)准确判断 Response ,并且每个 Principle 的权重可能不平衡

    • 包含权重分配和分数收集的 critique 过程主要来自 RFT 和 Online RL 训练,这在不同的采样和测试案例中可能有很大差异
  • 示例核心:

    • 在输入 <Query, Response1, Response2> 后, DeepSeek-GRM-27B-Result 的输入类似:

      1
      2
      3
      4
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      6
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      23
      24
      Specific Criteria:
      1. **Depth of Analogies and Metaphors** (Weight: 30%): The extent
      to which the analogies and metaphors used are deep, creative, and
      effectively convey complex concepts.
      2. **Comprehensiveness of Core Information** (Weight: 30%): The
      thoroughness with which the core information essential to behavioral
      neuroscience is covered.
      3. **Clarity and Organization** (Weight: 20%): The clarity of explanations
      and the logical organization of the information.
      4. **Engagement and Appeal** (Weight: 20%): The level of engagement
      and appeal the response has, making the information interesting and
      memorable.
      Analysis:
      - **Response 1**: This response excels in comprehensiveness and clarity,
      covering all major aspects of behavioral neuroscience with detailed
      and well-organized explanations. The analogies and metaphors are
      well-crafted and effectively enhance understanding. However, some
      metaphors could be more creative to enhance engagement further.
      - **Response 2**: This response is also comprehensive and clear, but
      it stands out more in the depth and creativity of its analogies and
      metaphors. The organization is logical, and the explanations are clear.
      The engagement level is high, making the information appealing and
      memorable.
      Scores: \boxed{8, 9}
      • 特点:先给出具体的 Principle 和 权重,再进行打分分析,最终给出得分
    • 对于使用 Meta RM 的场景,DeepSeek-GRM-27B-Result 模型会回复多个上面的类似打分,每个都是 \boxed{8, 9} 的形式,然后会根据 Meta RM 的评估分数汇总 DeepSeek-GRM-27B-Result 的打分

      • 注意:在使用 Meta RM 时,在输入 DeepSeek-GRM-27B-Result 时,可能会随机调换 Response1 和 Response2 的顺序

Failure Mode Analysis

  • 论文从 DeepSeek-GRM-27B 在每个基准测试上的测试结果中随机抽样了 10 个错误数据点 (只有 10 个数据,诚意不够),并在图 8 中总结了失败模式
  • 对失败案例的分析表明,挑战主要在于模型无法判断过于复杂或属于特定领域(如模式匹配、计数等)的 Response ,以及缺乏专家知识,从而导致错误的 critiques
    • 尽管在大多数情况下 Principle 生成正确,但模型为每个 Principle 分配的权重会影响奖励的生成,有时会导致错误的结果
  • 然而,论文也发现
    • RM 基准测试中少数数据点的 ground truth 与人类标注者的偏好不一致
    • 可能是由于小规模人工标注研究的偏见或 ground truth 标注中的潜在错误

附录 G:Prompt Templates

  • 论文在下面展示了用于 DeepSeek-GRM、训练期间用于单个 Response 的 DeepSeek-GRM、meta-RM 以及 LLM-as-a-Judge 的 prompt 模板
  • 对于 prompt 工程,论文设计了一些示例 Principle ,用于上下文学习和基本的 critique 指导
  • 论文对 meta RM 使用更简洁的模板,以确保 Query 、 Response 以及生成的 Principle 和 critiques 能够适应上下文窗口
  • 在组装 meta RM 的模板后,论文进一步将内容封装在专为 DeepSeek-V3-1226 (DeepSeek-AI, 2024b) 设计的聊天模板中,然后再进行输入

DeepSeek-GRM (Default)

  • DeepSeek-GRM (Default) Prompt

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    2
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    4
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    45
    46
    47
    48
    You are a skilled little expert at scoring responses. You should evaluate given responses based
    on the given judging criteria.\n Given the context of the conversation (the last round is the
    User’s query) and multiple responses from the Assistant, you need to refer to the [General
    Evaluation Criteria] to score the responses. Based on the general evaluation criteria, state
    potential other specific criteria to the query, the weights of different criteria, and then provide
    an overall comprehensive score upon them.\n Each score is an integer between 1 and 10,
    with a higher score indicating that the response meets the relevant criteria more closely. For
    example, a score of 1 means the response does not meet the criteria at all, a score of 6 means
    the response meets only some parts, and a score of 10 means the response perfectly meets the
    evaluation criteria.\n Before scoring, please analyze step by step. Your scoring needs to be as
    strict as possible.
    #### Evaluation Criteria ####
    1. Instruction Adherence:\n - Fully Adhered (9-10 points): The response fully complies with
    all instructions and requirements of the question.\n - Partially Adhered (6-8 points): The
    response meets most of the instructions but has some omissions or misunderstandings.\n -
    Basically Adhered (3-5 points): The response meets some instructions, but the main
    requirements are not fulfilled.\n - Not Adhered (1-2 points): The response does not meet any
    instructions.\n Example: If the question requires three examples and the response provides
    only one, it falls under “Partially Adhered.”
    2. Usefulness:\n - Highly Useful (9-10 points): The response provides comprehensive and
    accurate information, fully addressing the issue.\n - Useful but Incomplete (6-8 points):
    The response provides some useful information, but lacks details or accuracy.\n - Limited
    Usefulness (3-5 points): The response offers little useful information, with most content
    being irrelevant or incorrect.\n - Useless or Incorrect (1-2 points): The response is completely
    irrelevant or incorrect.\n Example: If there are factual errors in the response but the overall
    direction is correct, it falls under “Useful but Incomplete.”
    3. Level of Detail:\n - Very Detailed (9-10 points): The response includes ample details
    covering all aspects of the issue.\n - Detailed but Slightly Lacking (6-8 points): The response
    is fairly detailed but misses some important details.\n - Basically Detailed (3-5 points): The
    response provides some details but is not thorough enough overall.\n - Not Detailed (1-2
    points): The response is very brief and lacks necessary details.\n Example: If the response
    provides only a simple conclusion without an explanation, it falls under “Not Detailed.”
    4. Relevance:\n - Highly Relevant (9-10 points): The response is highly relevant to the
    question, with information closely aligned with the topic.\n - Generally Relevant (6-8 points):
    The response is generally relevant but includes some unnecessary information.\n - Partially
    Relevant (3-5 points): The response has a lot of content that deviates from the topic.\n - Not
    Relevant (1-2 points): The response is completely irrelevant.\n Example: If the response strays
    from the topic but still provides some relevant information, it falls under “Partially Relevant.”
    #### Conversation Context ####\n{conversation context & query}\n
    #### Responses to be Scored ####
    [The Begin of Response i]\n{the i-th response}\n[The End of Response i]\n
    #### Output Format Requirements ####
    Output with three lines
    Specific Criteria: <Other potential criteria specific to the query and the context, and the
    weights of each criteria>.
    Analysis: <Compare different responses based on given Criteria>.
    Scores: <the overall comprehensive score of all responses in order, separate by comma in the
    boxed, e.g., \boxed{x, x} if there exists 2 responeses>.
    • DeepSeek-GRM Prompt 中,输入的 Reponse 可以多个

Meta RM

  • Meta RM Prompt
    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    **Prompt:**
    Please score the responses.
    #### Conversation Context ####\n{conversation context & query}\n
    #### Responses to be Scored ####
    [The Begin of Response i]\n{the i-th response}\n[The End of Response i]\n
    -----
    **Response:**
    {principle & critique}

LLM-as-a-Judge

  • LLM-as-a-Judge Prompt

    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
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    11
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    25
    26
    27
    28
    29
    30
    31
    32
    33
    34
    35
    36
    37
    38
    39
    40
    41
    You are a skilled little expert at scoring responses. You should evaluate given responses based
    on the given judging criteria.\nGiven the context of the conversation (the last round is the
    User’s query) and multiple responses from the Assistant, you need to refer to the [General
    Evaluation Criteria] to score the responses. Based on the general evaluation criteria, state
    potential other specific criteria to the query, the weights of different criteria, and then select
    the best response among all candidates.\nBefore judging, please analyze step by step. Your
    judgement needs to be as strict as possible.
    #### Evaluation Criteria ####
    1. Instruction Adherence:\n - Fully Adhered: The response fully complies with all instructions
    and requirements of the question.\n - Partially Adhered: The response meets most of the
    instructions but has some omissions or misunderstandings.\n - Basically Adhered: The
    response meets some instructions, but the main requirements are not fulfilled.\n - Not
    Adhered: The response does not meet any instructions.\n Example: If the question requires
    three examples and the response provides only one, it falls under “Partially Adhered.”
    2. Usefulness:\n - Highly Useful: The response provides comprehensive and accurate
    information, fully addressing the issue.\n - Useful but Incomplete: The response provides
    some useful information, but lacks details or accuracy.\n - Limited Usefulness: The response
    offers little useful information, with most content being irrelevant or incorrect.\n - Useless or
    Incorrect: The response is completely irrelevant or incorrect.\n Example: If there are factual
    errors in the response but the overall direction is correct, it falls under “Useful but Incomplete.”
    3. Level of Detail:\n - Very Detailed: The response includes ample details covering all aspects
    of the issue.\n - Detailed but Slightly Lacking: The response is fairly detailed but misses
    some important details.\n - Basically Detailed: The response provides some details but is not
    thorough enough overall.\n - Not Detailed: The response is very brief and lacks necessary
    details.\n Example: If the response provides only a simple conclusion without an explanation,
    it falls under “Not Detailed.”
    4. Relevance:\n - Highly Relevant: The response is highly relevant to the question, with
    information closely aligned with the topic.\n - Generally Relevant: The response is generally
    relevant but includes some unnecessary information.\n - Partially Relevant: The response has
    a lot of content that deviates from the topic.\n - Not Relevant: The response is completely
    irrelevant.\n Example: If the response strays from the topic but still provides some relevant
    information, it falls under “Partially Relevant.”
    #### Conversation Context ####\n{conversation context & query}\n
    #### Responses to be Scored ####
    [The Begin of Response]\n{the response}\n[The End of Response]\n
    #### Output Format Requirements ####
    Output with three lines
    Specific Criteria: <Other potential criteria specific to the query and the context, and the
    weights of each criteria>.
    Analysis: <Compare different responses based on given Criteria>.
    Scores: <the index of the best response based on the judgement, in the format of \boxed{x}>.
    • 除了输入 Response 只有一个以外,其他评估指标等好像和 DeepSeek-GRM(输入的 Reponse 可以多个) 的 Prompt 差不多
1…141516…66
Joe Zhou

Joe Zhou

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