怎样让PPO训练更稳定？早期人类征服RLHF的驯化经验

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写在前面

今天给大家带来一篇“如何稳定且有效地训练 PPO”的论文解读，来自知乎@何枝（已授权）。在这篇文章中我们将学习：哪些技巧能够稳定训练过程、哪些指标能够代表着训练的顺利进行等内容。

作为 Reinforcement Learning 中的顶流算法，PPO 已经统领这个领域多年。直到InstructGPT的爆火，PPO 开始进军 LLM 领域，凭借其 label-free 的特性不断拔高基座的性能，在 Llama2 、 Baichuan 的工作中都能看到 RLHF 的身影。

于是你开始摩拳擦掌，跃跃欲试，准备利用这项强大的技术来进化自己的基座。但当你信心满满地跑通训练任务时，你看到的情况很有可能是这样的：

各种形形色色的失败案例

尽管鲁迅先生曾言：真的强化敢于直面惨淡的结果，敢于正视崩坏的曲线。但日复一复地开盲盒难免会让人心脏承受不了，好在前人们留下了宝贵的驯化经验，今天让我们一起看看“如何稳定且有效地训练PPO”。

知乎：https://zhuanlan.zhihu.com/p/666455333
Paper：https://arxiv.org/pdf/2307.04964.pdf
Code：https://github.com/OpenLMLab/MOSS-RLHF/tree/main

1. Reward Model 训练

RL 的整个训练目标都是围绕着 reward 来进行，传统 RM 的训练公式为拉开好/坏样本之间的得分差：

y_w 为 selected 样本，y_l 为 rejecte 样本

但是，仅仅是「拉开得分差」这一个目标很有可能让 RM 陷入到「钻牛角尖」的困境中。

为了保持住 RM 的本质还是一个「语言模型」，文章在原本的 loss 中加入了对「好样本」的 LM loss：

在原来的 loss 基础上顺便学习写出「优秀样本」，保持住模型能写句子的能力

值得一提的是：文章中的 r' 是用了另外一个 RM' 来算 loss 的，RM' 的结构和 RM 一样，只不过输出的维度不是 1，而是 vocab_size。但其实我认为也可以使用一个带有 ValueHead 的模型来既训练打分又训练写句子，毕竟这 2 个任务都需要模型知道什么的句子是「好句子」—— 还能省显存。

以下是论文训练 RM 的详细参数：

一般的，我们会使用 prefered sample - disprefered sample 的分差来衡量 RM 的效果：

图左为在中文标注数据集上的分差分布，图右为在英文数据集上的分差分布（区分度不如中文）

完全理想的状况下，prefered - disprefered 应该都在 0 的右边（好样本的分数更高），但考虑到标注中的噪声、模型的拟合能力等，存在少小部分 0 左边的样本是合理的，拉出来人工评估下即可。

此外，文中还提到：只看 Acc 并不能够很好的衡量 RM 的性能，但尚未给出其他可以衡量的指标。

2. PPO 的稳定训练方法

2.1 及时发现训练过程中的异常

PPO 训练中很常见的一个问题是「模式崩溃」，其典型特征为：长度很长且无意义的文字。

而对于这种「崩溃的输出」Reward Model 往往还容易打出一个很高的分数，这将导致我们无法在训练过程中及时的发现问题，等训完对着一个满意分数的 checkpoint 看生成结果的时候才发现空欢喜一场。

对于上述这种问题，我们可以通过 3 个指标来监控：KL、Response Length、Perplexity。

训练过程中的各种指标，从约第 420 step 开始: 1. reward 出现骤增。2. KL 出现骤增。3. Perplexity 出现骤降。4. Response Length 出现骤增。5. 训练效果出现骤降（图左上红线）

因此我们可以总结出几种指标异常的情况：

• Reward 出现骤增：很可能 Policy Model 找到了某条 shortcut，比如通过模式崩溃来获得更高的分数。
• KL 出现骤增：同上，很可能此时的输出模式已经完全崩溃。
• Perplexity 骤降：由于 PPL 是指代模式对当前生成结果的「确定性」，一般来讲，句子的生成都会带有一定的不确定性，当 Policy Model 对某一个生成结果突然「非常确定」的时候（无论是什么样的上文都很确定接下来应该输出什么），那么它大概率是已经拟合到了一个确定的「崩坏模式」上了。
• Response Length 骤增：这个对应我们之前给的 bad case，回复长度的骤增也可能代表当前输出已经崩溃。

2.2 Score Normalization & Clipping

PPO 的整个训练都是围绕优化 Score 作为目标来进行的，和 Score 相关的变量有 2 个：

• Reward：由 RM（≈ Human） 直接给出的反馈。
• Advantages：由 Reward 和 Critic Model 共同决定的优势值，最终用于 loss 计算。

对于这 2 个值，我们都可以对其进行「归一化」和「裁剪」。

Reward 的处理公式如下：

Reward Normalization & Clipping

上述式子将 reward 化成了一个均值为 0 的标准分布，均值为 0 是为了保证在训练过程中得到的正负奖励能够尽可能的均匀，如果一段时间内全为负或全为正从直觉上来讲不太利于模型学习。

文中提到，使用 clipping 可以限制模型进化的「最终分数」没有那么高，鉴于之前「分数越高，并不一定有更好的效果」的结论，作者认为使用 clipping 对最终的效果是有益的。

至于 Advantages，在 PPO 的标准流程里已经会对其进行 Normalization，而 advantage clipping 和 reward clipping 在本质上其实很相似，则只用在 reward 阶段进行截断即可，所以对于 Advantage 来讲不需要做太多其他额外的操作。

2.3 Policy Loss 设计

在传统的 PPO 流程中，我们通常会对 Policy Molde 的 Loss 上做以下 2 种操作：

• Importance Sampling：这是 PPO 中加快 On-Policy 算法训练速度的关键步骤，即一次采样的数据可以进行多次更新（通过系数补偿）。这种方法通常和 KL 惩罚一起使用，实验表明这样能够更加稳定 PPO 的训练，但对最终的效果会存在一定折损（所以最好的还是 1 轮 sample 只做一次 update，退化为原始的 PG 流程）。
• Entropy Loss：一般为了鼓励 Policy 在进化的同时保留「探索」的能力，我们会在 loss 中加入 entropy（确定性）loss，但在 RLHF 中这项设置对超参非常敏感，很容易就崩掉。鉴于 KL 和 Entropy 有着相似的效果，因此作者更推荐使用 KL 来代替 Entropy Loss。

除了上述 2 个传统设置外，RLHF 中加入一个新的指标：Token Level KL-Penalty。

在传统的 RL 流程中，agent 每采取一个 action 后都会得到一个 action reward，对比到文本生成任务中，每新生成一个 token 就等于做出了一次 action，但实际上我们无法每生成一个 token 就打出一个分数，我们只能在一个完整句子（Trajectory）生成完成之后打出一个 Total Reward。

这就比较痛苦了，当我们只有一个长序列的最后得分时，前面的每一个 step 的得分估计就变得非常困难。因此，为了避免「sparse reward」的同时限制 Policy Model 朝着「相对合理的方向」进化，我们会通过计算每个生成 token 与参考模型之间的 KL 来作为单个 token 的 reward 分数。

式子的前半部分为 reward（discounted）后半部分为 KL 惩罚分数

2.4 模型初始化

PPO 继承自 Actor-Critic 框架，因此算法中一共包含 2 个模型：Actor 和 Critic。

• Actor Model（Policy Model）

Policy Model 是指我们最终训练后使用的生成模型，Policy Model 需要具备一定基本的能力才能保证训练的稳定性，通常会选用 SFT 之后的模型。这个比较好理解，如果我们选用 Pretrained Model 为起点的话，探索空间会非常大，同时也更加的不稳定（对 Reward Model 要求更高）。

• Critic Model

一种很直觉的想法是：同样是「评判任务」，我们直接使用 Reward Model 来当作 Critic Model 就好了。

但其实这种想法不完全正确，从本质上来讲 Critic 需要对每一个 token 的状态进行打分，而 RM 是对整个句子进行综合得分评估，这两个任务还是存在一定的区别。

因此，一种更好的方式是：先训练 Critic Model一段时间，直到 Critic Loss 降的相对较低为止。预先训练能够帮助在正式训练的初期 Critic 能够进行较为正确的 value 预估，从而稳定训练过程，至于使用 SFT 还是 RM 作为 Critic 的结构，实验结果显示并没有非常明显的区别。

2.5 最优策略集合（PPO-max）

文章的末尾给出了作者汇聚了各种实验结果给出的一套推荐的策略：

• reward normalize：使用历史获得过的所有 reward 的均值和方差进行标准化。
• token KL penalty：限制模型更新方向。
• Critic Model：使用 RM 初始化 Critic，并在 PPO 正式训练之前先进行 Critic 预训练。
• Global Gradient Clipping
• 使用相对较小的 Experience Buffer。
• Pretrain Loss：在 PPO 训练 loss 中加入 Pretrain Language Model Loss，和 [InstructGPT] 中保持一致。

PPO-max 所使用的方法合集（标星的方法）

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