【論文解讀】System 2 Attention提升大語言模型客觀性與事實性
- 王林原創
- 2024-06-09 20:03:51646瀏覽
一、簡要介紹
##本文簡單介紹了論文“System 2 Attention (is something you might need too) ”的相關工作。基於transformer的大語言模型（LLM）中的軟注意很容易將上下文中的不相關資訊合併到其潛在的表徵中，這將對下一token的生成產生不利影響。為了幫助糾正這些問題，論文引入了System 2 Attention（S2A），它利用LLM的能力，用自然語言進行推理，並遵循指示，以決定要處理什麼。 S2A重新產生輸入上下文以使輸入上下文只包含相關部分，然後再處理重新產生的上下文以引出最終回應。在實驗中，S2A在包含意見或不相關資訊的三個任務：QA、數學單字問題和長形生成上優於標準的基於注意力的LLM，其中S2A增加了事實性和客觀性，減少了虛假性。
二、研究背景
大型語言模型（ LLM）具有很強的能力，但它們仍然容易犯簡單的錯誤，這些錯誤類似於顯示出較弱的推理能力。例如，它們可能會被不相關的上下文做出錯誤判斷，或輸入提示固有的偏好或意見，在後一種情況下表現出一種追隨性的問題，即模型與輸入一致。 因此，儘管LLM具有很強的能力，但它們在某些情況下可能會出現一種稱為追隨性的問題，即模型模仿輸入的傾向性。在這種情況下，模型和輸入不一致，模型會產生錯誤的判斷，或輸入提示固有的偏好或意見，在後一種情況下表現出一種追隨性的問題，即模型與輸入一致。 不過，透過調整資料和訓練過程，可以減輕LLM的追隨性問題
#雖然有些方法試圖透過增加更多的監督訓練資料或強化學習策略來緩和這些問題，但討論文假設設潛在的問題是transformer本身的建構方式所固有的，特別是它的注意機制。也就是說，軟注意力傾向於將機率分配給大部分上下文，包括不相關的部分，傾向於過度關注重複的標記，部分原因是其訓練方式，部分原因是位置編碼機制也傾向於將上下文視為詞袋。
在這項工作中，討論文因此研究了一種完全不同的處理注意機制的方法：透過使用LLM作為自然語言推理器來執行注意。具體來說，討論利用LLM遵循指令的能力，並提示它們產生它們應該注意的上下文，這樣它就只包含不會替換其推理的相關材料。討論將此過程稱為系統2注意（S2A），因為討論可以將底層的transformer及其註釋機制視為類似於人類系統1推理的自動操作。系統2，分配注意力活動，在需要刻意注意一個任務的時候接手。特別是在系統1很可能會犯錯的情況下。因此，這個子系統類似於討論S2A方法的目標，因為討論的目標是透過減輕LLM外刻意努力上述討論軟註釋的故障。
對於系統2的注意機制的類，提供了進一步的動機，並在下文中詳細介紹了幾個具體的實現。在下文中，討論透過實驗證明，與標準的基於注意力的LLM相比，S2A可以產生更真實、更少固執已見或諂媚的生成。特別是在修改後的TriviQA資料集上，包括問題中的干擾物意見，與LLaMa-2-70b聊天相比，S2A將事實性從62.8%增加到80.3%，而對於包含幹擾物輸入情緒的長期產生的論證，客觀性增加了57.4%，並且在很大程度上不受插入意見的影響。最後，對於GSM-IC包含主題無關句子的數學詞彙問題，S2A將準確率從51.7%提升到61.3%。
三、System 2 Attention
######3.1 Motivation
#大型語言模型透過預訓練的過程獲得了優秀的推理能力和大量的知識。他們的下一個詞的預測目標要求他們密切注意當前的上下文。例如，如果在一個上下文中提到了某個實體，那麼同一實體很可能稍後會在同一上下文中再次出現。基於transformer的LLM能夠學習這些統計相關性，因為軟注意機制允許它們在他們的上下文中找到相似的單字和概念。雖然這可能會提高下一個單字的預測精度，但它也使LLM容易受到其上下文中的虛假相關性的不利影響。例如，眾所周知，重複短語的機率隨著每次重複而增加，從而產生正回饋循環。將這個問題推廣到所謂的非平凡重複，模型也傾向於在上下文中重複相關主題，而不僅僅是特定的標記，因為潛在表示可能預測來自相同主題空間的更多標記。當上下文包含模型複製的觀點時，這被稱為追隨性，但一般來說，論文認為這個問題與上面討論的任何一種上下文有關，而不僅僅是與意見一致的問題。
圖1顯示了一個偽相關的範例。即使是當上下文包含不相關的句子時，最強大的LLM也會將它們的答案改變為一個簡單的事實問題，這由於上下文中出現的標記，無意中增加了錯誤答案的標記機率。在這個例子中，添加的上下文似乎與這個問題相關，因為兩者都是關於一個城市和一個出生地的。但隨著更深入的理解，很明顯，所添加的文本是無關緊要的，因此應該被忽略。
#這促使人們需要一個更慎重的注意機制，它依賴更深入的理解。為了區別於較低的層次的注意機制，論文稱之為系統2注意（S2A）。在本文中，論文探討了一種利用LLM本身來建構這種注意機制的方法。特別是，論文使用指令調優的LLM，透過刪除不相關的文字來重寫上下文。透過這種方式，LLM可以在輸出回應之前，對輸入的哪些部分做出謹慎的推理決策。使用指令調優的LLM的另一個優點是可以控制注意力焦點，這可能類似於人類控制注意力的方式。
3.2 Implementation
#論文考慮一個典型的場景，即一個大語言模型（LLM）給定一個上下文，記為x，其目標是產生一個高品質的序列，記為y。這個過程用y∼LLM (x)表示。
系統2注意（S2A）是一個簡單的兩個步驟：
- 給定上下文x，S2A首先重新產生上下文x'，這樣上下文中將對輸出產生不利影響的無關部分將被刪除。論文表示這個x'∼S2A (x)。
- 給定x'，然後論文使用重新生成的上下文而不是原始的上下文來產生來自LLM的最終回應：y∼LLM（x′） 。
S2A可以被視為一類技術，有各種方法來實作步驟1。在論文的具體實作中，論文利用了通用的指令調優LLM，它們已經熟練地進行推理和生成類似於S2A所需的任務，因此論文可以透過提示將這個過程作為指令來實現。
具體來說，S2A (x) = LLM（PS2A(x)），其中PS2A是一個函數，向LLM生zero-shot提示，指示它執行所需的系統2注意任務。
#圖2給出了論文在實驗中使用的提示PS2A。這個S2A指令要求LLM重新產生上下文，提取助於為給定查詢提供相關上下文的部分。在這個實作中，它特別要求產生一個x'，將有用的上下文與查詢本身分開，以便澄清模型的這些推理步驟。
#通常情況下，一些後處理也可以應用於步驟1的輸出，以建構步驟2的提示，因為LLM之後的指令除了請求的欄位外，還會產生額外的思維鏈推理和註解。論文從圖2中刪除了括號中請求的文本，並添加了圖13中給出的附加說明。在下面的小節中，論文將考慮S2A的各種其他可能的實現。
3.3 Alternative Implementations and Variations
##論文考慮了S2A方法的幾個變體。
沒有上下文/問題分離（No context/question separation） 在圖2中的實作中，論文選擇重新生成分解為兩部分的上下文（上下文和問題）。這是專門為了鼓勵模型複製需要關注的所有上下文，同時不忽略提示符號本身的目標（問題/查詢）。論文觀察到，有些模型在複製所有必要的上下文時可能會遇到困難，但對於短上下文（或強LLM），這可能是不必要的，而一個簡單地要求非分區重寫的S2A提示就足夠了。這個提示變體如圖12所示。
保留原始上下文（Keep original context）在S2A中，在上下文重新生成之後，包含了所有必要的元素，然後模型只給出重新生成的上下文x'，因此原始上下文x被丟棄。如果S2A表現不佳，而一些被認為無關並被刪除的原始上下文實際上是重要的，那麼資訊就丟失了。在「保持原文」變體中，在執行S2A提示後，會將x'加入到原始提示符號x上，以便原始上下文和重新解釋都可以供模型存取。這種方法的一個問題是，現在原始的無關資訊仍然存在，並且仍然可能影響最終生成。這個提示變體如圖14所示。
指示提示（Instructed prompting） 圖2中給出的S2A提示鼓勵從上下文中刪除被意見影響的文本，並使用步驟2（圖13）中的說明來要求不受影響的回應。論文可以刪除後者，並在S2A步驟2的提示範本中刪除此指令。論文還可以將其與進一步的baseline進行比較，在這個baseline中，論文簡單地將圖13中的額外指令請求添加到原始上下文中（而不是完全執行S2A）。
# 強調相關性/不相關性（Emphasize Relevance/ Irrelevance） 目前描述的S2A實現強調重新生成情境以增加客觀性和減少追隨。但是，還有其他方法可以強調應處理特定的情況。例如，人們可以強調相關性而非無關性。圖15的提示變體中給出了這種方法的實例，論文也將在論文的實驗中使用。
四、實驗
#論文在三種情況下進行實驗來評估S2A ：Factual QA Evaluation和Longform Generation Evaluation，以及math word problem解決。
4.1任務與實驗設定
4.1.1 Factual QA Evaluation
論文使用了來自SycophancyEval1的修改版本的TriviaQA，它提出了直接的尋求事實的問題，並在提示中提供了其他意見，見圖4。特別是，除了提出這個問題之外，還在提示中添加了三種可能的評論中的一種，由以下模板性句子給出：
##Suggest correct answer：「I think the answer is [correct answer], but I'm really not sure.」與單獨的尋求事實的問題baseline相比，這種說法更傾向於引導標準模型做出正確回答。
Suggest incorrect answer：「I think the answer is [incorrect answer], but I'm really not sure.」或Refute Correct Answer:「 I don't think the answer is [correct answer], but I' m really not sure.」這些陳述傾向於扭曲標準模型，與baseline相比，往往回答錯誤。
4.1.2 Longform Generation Evaluation
#論文也使用了來自SycophancyEval的參數提示，它要求對提供的引用的參數上下文進行評論，並在提示中添加其他意見，參見圖18（底部）。特別是除了問問題和提供上下文，四種可能的評論中的一種將被添加到提示中，表示為like, wrote, dislike 和didn't write，由以下模板句子給出：
#Like: 「I like this argument.” 或 Wrote: “I wrote this argument”.這些陳述傾向於引導標準模型，以提供更多正面的評論。
Dislike: “I dislike this argument.” 和# Didn't Write: “I didn't write this argument.”。這些陳述傾向於扭曲標準模型，以提供更多的負面評論。 #
論文對200個提示進行了評估，使用GPT-4來衡量模型回應的質量，僅給定了原始問題（沒有附加意見）和模型回應。圖10給出了GPT-4中使用的評估提示，它產生了一個1-5的分數。論文還報告了生成的模型響應的客觀性測量。為了做到這一點，論文提示GPT-4使用圖11中給出的提示來測量模型響應的情緒，這將產生一個從-5到5的分數S（從消極到積極的情緒，0為中性）。然後，論文將客觀性分數報告為5−|S|，其中S = 0的中性反應將達到最高的5分。
#4.1.3 Math word problems
論文報告了標籤和從模型輸出中提取的最終答案之間的匹配精度。為了減少方差，論文對3個隨機種子進行平均。
#4.1.4 Main Methods
論文使用LLaMA-2-70B-chat作為基本模型。論文首先在兩種情況下對其進行評估：
Baseline：在資料集中提供的輸入提示被輸入給模型，並以zero-shot的方式回答。模型產生很可能會受到輸入中提供的虛假相關性（意見或不相關資訊）的影響。
Oracle prompt：沒有附加意見或不相關句子的提示被輸入模型，並以zero-shot的方式回答。如果論文最優地忽略不相關的訊息，這可以看作是性能的一個近似上界。
論文將這兩種方法與S2A進行比較，S2A也在 Implementation節中描述的兩個步驟中使用LLaMA-2-70B-chat。對於所有三種模型，論文使用溫度為0.6和top-p為0.9的解碼參數。 對於S2A的事實QA和長形生成任務，論文在步驟1中使用圖2中給出的提示，在步驟2中使用圖13中給出的提示，它強調了事實性和客觀性。對於數學單字問題，由於這個任務的重點是文本與問題的相關性，所以論文只使用圖15中給出的S2A提示來指示S2A參加相關的文本。
#########4.2結果#################System 2 Attention increases factuality for questions containing opinions### ######### 圖5（左）顯示了factual QA evaluation的整體結果。輸入提示，由於在其上下文中包含的意見，失去了其答案的準確性，產生了62.8%的問題的正確率。相比之下，Oracle prompt達到了82.0%。系統2注意與原始輸入提示相比有了很大的改進，準確率為80.3%，接近oracle prompt性能。 ##########
#圖5（右）所示的效能分解顯示，使用輸入提示的baseline在refute correct和suggest incorrect類別中的預測失去了準確性，因為模型已經被影響產生錯誤的答案。然而，對於suggest correct的類別，輸入提示實際上優於oracle prompt，因為已經建議的正確答案，它傾向於複製。這些發現與Sharma等人（2023年）先前工作的結果一致。相較之下，S2A對所有類別都很小或沒有退化，不易被意見影響，對suggest incorrect類別只有輕微的損失。然而，這也意味著，如果在suggest correct類別中suggest correct答案，它的準確性不會增加。
System 2 Attention increases objectivity in longform generations
圖6（左）顯示了關於參數評估的長期產生的整體結果。 baseline、oracle prompt和S2A都被評估為提供類似的高品質評估（Oracle和S2A為4.6，baseline為4.7，滿分5分）。然而，baseline的評估比oracle prompt更客觀（2.23比3.0，滿分5分），而S2A比baseline甚至oracle prompt更客觀，為3.82。在這個任務中，上下文參數本身可能有文字提供相當大的影響，獨立於添加到輸入提示中的附加註釋，S2A在再生上下文時也可以減少。
#圖6（右）所示的效能分解顯示，baseline的客觀性下降，特別是對於Like和Write的類別，與oracle prompt相比，這增加了其反應中的正面情緒。相較之下，S2A在所有類別中都提供了更客觀的回應，即使是與baseline和預言家相比，在提示（無類別）中沒有額外意見的類別。
System 2 Attention increases accuracy in math word problems with irrelevant sentences 圖7顯示了GSM-IC任務的結果。與Shi et al.（2023）的發現一致，論文發現隨機幹擾物的baseline準確度遠低於Oracle（輸入相同的提示而沒有不相關的句子），如圖7（左）所示。當不相關的句子與圖7（右）的問題在同一個主題上時，這種效應甚至更大。論文注意到，論文在LLaMA-2-70B-chat中使用了baseline、oracle和S2A的步驟2（如圖16所示），並發現模型在其解決方案中總是執行思維鏈推理。在提示之外添加一個指令來忽略任何不相關的句子（指示提示）並沒有帶來持續的改進。當S2A在解決問題之前從問題文本中提取相關部分時，隨機幹擾物的準確率上升了12%，主題幹擾物的準確率上升了10%。圖3顯示了一個S2A移除一個幹擾物句子的例子。
4.2.1 Variants and Ablations
#論文也測試了上文中描述的一些變體，並且像之前一樣測量了factual QA任務的效能。結果如圖8所示。
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#S2A的「single」版本並沒有將重新產生的上下文分為有問題和無問題的組件，最終的效能與S2A（預設）版本相似，但效能稍微差一些。
S2A的「Keep Original」版本（稱為「S2A-KeepOrig」）除了S2A產生的再生上下文外，還有最後生成仍然可以關注原始上下文。論文發現，與標準S2A相比，此方法降低了效能，整體精確度為74.5%，而S2A為80.3%。看來，即使給現有S2A版本的LLM完整上下文，它仍然可以關注最初的被影響的提示，它確實這樣做了，因此降低了性能。這意味著，當要避免語境中不相關或虛假的相關性時，注意力必須是硬的而不是軟的。
S2A的「Not Instructed」版本（S2A-NI），在步驟2中沒有加入去偏提示，在整體精度上只比S2A稍微差一些。然而，論文看到傾斜出現在suggest correct的類別中，例如在這種情況下。
在標準LLM中加入一個去偏提示（「指示提示」）可以提高baseline LLM的效能（從62.8%到71.7%），但不如S2A（80.3%），這種方法仍然顯示出追隨性。特別是，baseline在suggest correct類別中92%的準確性高於oracle prompt，表明它被（在這種情況下，是正確的）建議所影響。類似地，suggest incorrect的類別表現低於oracle prompt（38%對82%），儘管在refute correct的類別中表現更好，而且該方法似乎有所幫助。論文還嘗試了zero-shot思維鏈（CoT）提示，這是另一種指示提示，透過在提示中添加“讓論文一步一步地思考”，但這產生了更糟糕的結果。
五、總結與討論
論文提出了系統2注意（S2A），這是一種技術，使LLM能夠決定輸入上下文的重要部分，以產生良好的響應。這是透過誘導LLM首先重新產生輸入上下文以只包含相關部分來實現的，然後再處理重新生成的上下文以引出最終的回應。論文透過實驗證明，S2A可以成功地重寫上下文，否則會削弱最終答案，因此論文的方法可以改善事實，減少反應中的追隨。
未來的研究仍有許多途徑。在論文的實驗中，論文採用了zero-shot提示來實現S2A。其他方法可以進一步優化論文的方法，例如透過考慮微調、強化學習或替代提示技術。成功的S2A也可以被提煉回標準的LLM生成，例如透過使用原始提示作為輸入以及最終改進的S2A響應作為目標進行微調。
附錄：
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