前两天，OpenAI的一群员工刚刚联名发表公开信，表示自主的AI系统正在失控，呼吁公众提高警惕。
今天OpenAI就甩出了一篇论文来回应。
这篇文章通过逆向工程，为GPT-4做了一次「解剖」，旨在探索LLM的可解释性。
更让人唏嘘的是，这项新研究由最近刚刚分崩离析的「超级对齐」团队完成，文章还有Ilya Sutskever和Jan Leike的署名。
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论文地址：https://cdn.openai.com/papers/sparse-autoencoders.pdf
文章是发表了，但团队却早已解散。
物是人非，似乎也从另一个侧面说明了，OpenAI在AGI安全方面进行的重大转向。
论文提出，模型的可解释性与AI安全息息相关。
目前我们仍不了解语言模型的内部运作原理，而且它无法被轻易分解为可识别的部分。这意味着无法像推理汽车安全那样推理人工智能安全。
为了理解和解释神经网络，首先需要找到神经计算的构建模块。
然而，语言模型内神经元的激活模式是密集且不可预测的，每次输入都会触发一次激活，而且同时包含了许多概念（concepts）。
不同的是，现实世界的概念非常稀疏——给定上下文，所有概念中只有一小部分是相关的。
这种密集和稀疏的区别启发了「稀疏自动编码器」（SAE, sparse autoencoders）的概念。对于给定输出，可以识别并提取神经网络中产生这些输出的重要「特征」（features），类似于人特定情境下进行推理时想到的概念。
SAE提取的特征显示出稀疏的激活模式，即使不施加直接的可解释性激励，也能自然地与人类容易理解的概念保持一致。
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LLM的参数中隐式包含了大量的概念，相应地，自动编码器也需要非常大的规模，才能涵盖前沿模型中的所有概念。
由于极端稀疏性，SAE很难扩展为大规模训练，之前的工作主要集中在用小型语言模型训练较小的SAE。
这篇论文的主要贡献在于提供了可靠且可扩展性的训练方法，能够用TopK自动编码器提取LLM中的数千万个特征。
而且，这种可扩展性是平滑且可预测的，与之前的工作相比有更好的「规模回报」。
训练代码已在GitHub上发布，可以运行在任何语言模型的激活层上。
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开源地址：https://github.com/openai/sparse_autoencoder
论文尝试用这种方法分别在GPT-2和GPT-4上训练SAE，并制作了一个可视化工具来检视提取特征的可解释性。
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SAE可视化界面：https://openaipublic.blob.core.windows.net/sparse-autoencoder/sae-viewer/index.html
GPT-4训练的SAE包含1600万个潜在变量，在400亿个token上进行训练。
其中有一些较为明显的可解释特征被提取了出来，比如有关人类缺陷、多语言的身份证明文件和涨价、自然灾害等话题。
训练方法
论文在多种LLM上都尝试了训练TopK自动编码器，包括GPT-2 small、GPT-4以及一系列有GPT-4类似架构的不同大小的模型。
TopK，或者k-稀疏方法是只保留k个最大的隐变量，将其余变量置零。TopK编码器定义如下：
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所有实验中都使用64 tokens长度的上下文，选取网络末尾的包含较多特征的一层（但不涉及next token预测任务）的残差流进行训练。
GPT-2 small中使用了第8层，也就是整体架构的3/4部分；对于GPT-4类架构，这个比例则是5/6。
训练后，分别使用L0和均方差（MSE）两个指标分别评估稀疏性和重建误差，并与基线模型ReLU自动编码器进行对比。
在规定隐变量数量为32768时，相比ReLU和ProLU，TopK方法在稀疏性和重建性能上实现了更好的平衡，与门控机制相近。
在固定稀疏性时，随着隐变量数目的增加，TopK方法的MSE下降速度也是所有方法中最高的。
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变量数量逐渐增长时，也会有越来越多的隐变量在训练过程中的某个时刻完全停止激活，成为「死亡隐变量」。
消融实验中发现，如果不采取任何缓解措施，死亡隐变量的占比可以高达90%，这会导致MSE大幅恶化，且浪费训练算力。
为了防止隐变量「死亡」，论文提出了2个训练技巧——
- 将编码器初始化为解码器的转置
- 添加辅助损失AuxK，即使用k个「死亡隐变量」计算的重构误差（论文戏称为「幽灵梯度」）
使用这两个方法后，即使是在GPT-4上训练出的有1600万个隐变量的SAE中，也仅有7%的「死亡隐变量」。
可扩展性
由于论文的主要目的就是提升SAE的可扩展性，因此作者通过改变各种超参数设置，着重探讨了模型这方面的表现。
首先，使用与训练LLM相似的策略，不考虑收敛，在可用计算资源的条件下训练不同规模的SAE，直至达到MSE最优。
下面左图中可以看到，MSE的下降趋势基本符合计算量的幂律分布L(C)，尽管其中最小的模型有些偏离。
右图则表示，选取不同的k值时，随着隐变量数量N的增大，MSE的下降趋势基本类似，遵循N和k的联合scaling法则。这体现出模型较好的优化性能和可靠性。
随着k值增加，MSE的下降曲线逐渐陡峭，意味着不可约损失的减少。
但L(N,k)的这种趋势仅在k值较小时成立，若k值过大、接近模型维数，SAE的重建就失去意义了。
下面这张图展示的结果也比较符合直觉——随着语言模型逐渐增大，SAE也需要更多的隐变量才能实现相同的MSE。
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评估结果
虽然使用L0和MSE两个指标已经可以很好地评估稀疏性和重建表现，但这并不是模型的最终目标。
我们需要评估SAE提取出特征的质量和可解释性，因此论文提出了以下几种指标：
1. 下游损失：如果将原语言模型残差流中的隐变量替换为自动编码器重建的变量，语言模型的损失表现如何
2. 探测损失：SAE能否恢复我们预期的特征
3. 可解释性：对于SAE提取的隐变量在LM中的激活，是否存在充要的简单解释
4. 消融稀疏性：消除单个隐变量对LM下游得到的logits是否有稀疏影响？
通过这些指标的评估，论文得出的总体结论是，隐变量总数增加会使得SAE表现更好，然而激活的隐变量数量L0产生的影响会比较负责。
下游损失
论文考虑使用KL散度和交叉熵损失衡量语言模型的下游表现，TopK方法在稀疏性和交叉熵两方面可以取得更好的均衡。
对比其他方法，在达到相同的MSE值时，TopK方法带来的交叉熵最低，意味着下游表现最好。
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探测损失
为评估探测损失，团队训练了61个1维的logistic探测器，用于检测相应特征是否存在并计算最佳交叉熵（在所有隐变量中）作为探测损失。
结果显示，k值越高，探测损失越低，且TopK模型的性能在各个k值上的表现都优于ReLU。
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可解释性
可解释性的量化比较困难。为此，论文借鉴了2023年一篇论文提出的可解释性自动评分方法，打出的分数与召回率相关但不成比例。
由于在这种方法中使用GPT-4计算准确率和召回率过于昂贵，因此评估时作者找了另一种更便宜的模型N2G。
下面这个例子可以更直观地展现N2G的打分机制。
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相比ReLU，TopK模型的F1分数更高，召回率总体有1.5×的提升，但准确率稍逊一筹，约为ReLU方法的0.9×。
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消融稀疏性
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为了评估消融稀疏性，团队独创了一个指标(L1/L2)^2计算向量的稀疏度，来表征每删除一个隐变量时，有多少token受到了稀疏影响。
图6b可以看到，对于有不同隐变量数量的模型，随着L0逐渐提升（模型逐渐稀疏），消融稀疏性也逐渐提升（受到影响的token数量更少）。
理解TopK激活函数
TopK防止激活收缩
L1正则化的一个主要缺点是，它会使所有激活值趋向于零。
而论文提出的TopK激活函数解决了这个问题，因为它不需要L1。
团队使用投影梯度下降法来求解带有正约束的最优激活值。这种优化过程在ReLU模型中通常会增加激活值，但在TopK模型中不会（见图9a），这表明TopK不受激活收缩的影响。TopK模型的优化幅度也比ReLU模型小。
在ReLU和TopK模型中，优化过程显著改善了重建的MSE（见图9b）和下游的下一个token预测的交叉熵（见图9c）。
然而，这种优化只部分缩小了ReLU和TopK模型之间的差距。
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渐进恢复
在渐进编码中，即使只传输部分数据，也可以以合理的精度重建信号。
对于自动编码器来说，学习渐进编码意味着通过激活幅度对潜变量进行排序，可以逐步恢复原始向量。
为了研究这一特性，团队在训练后将自动编码器的激活函数替换为TopK（k′）激活函数，其中k′与训练时的k值不同。然后，通过将每个k′值放在L0-MSE平面上进行评估（见图10）。
结果显示，用TopK训练的模型只能在训练时使用的k值范围内提供渐进编码。MSE在稍高于k的值时有所改善，但随着k′的进一步增加，MSE显著变差。
为了缓解这个问题，我们将多个不同k值的TopK损失相加，称为Multi-TopK。比如，使用L(k) + L(4k)/8就可以在所有k′上实现渐进编码。
不过需要注意的是，使用Multi-TopK训练在k值处的表现略逊于单一TopK。
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对于用TopK训练的自动编码器，在测试时，TopK和JumpReLU曲线仅在L0低于训练时的L0值时重叠，否则JumpReLU激活效果不如TopK激活。
然而，这种差异在使用Multi-TopK时消失，两条曲线几乎重叠，这意味着模型可以在每个token上使用固定或动态数量的潜变量而不会影响重建效果。对于用ReLU训练的自动编码器，两条曲线也重叠。
有趣的是，有时用低L1惩罚训练ReLU模型并在测试时使用TopK或JumpReLU，比用较高L1惩罚以获得类似稀疏度更有效。
局限性和未来方向
对于OpenAI的这篇研究，东北大学研究AI可解释性的教授David Bau表示，「这是令人兴奋的进展。我们需要学习如何更好地理解和审查这些大模型。」
这篇论文的主要创新在于，展示了一种更有效的方法来配置小型神经网络，可用于理解大模型的组成部分。但他也指出，这项技术的可靠性仍有提升空间，「要使用这些方法来创建完全可以理解的模型解释，还有很多工作要做」。
论文最后也对局限性和未来发展方向做出了相关的陈述——
- TopK方法强制使用固定数量的k个潜变量，这可能不是最优的。理想情况下，应该约束潜变量的期望数量E[L0]而不是固定数量L0。
- 64个token的上下文长度可能太短，无法展示GPT-4最有趣的行为。
- 优化过程可能有很大的改进空间，例如通过调整学习率、更好的优化器以及更好的辅助损失来防止潜变量失效。
- 可以进一步研究哪些指标最能反映与下游应用的相关性，并深入研究这些应用本身。比如，寻找用于控制行为的向量、进行异常检测、识别电路等。
- 可以进一步研究专家模型（MoE）与自动编码器的结合，这将大大降低自动编码器训练的成本，并使得训练更大规模的自动编码器成为可能。
- 在发现的特征中，特别是在GPT-4中，很多随机激活的特征尚未充分单义化。通过改进技术和扩大规模，这个问题是可以克服的。
- 目前的探测指标噪声较大，可以通过增加任务的种类和提高任务质量来改进。
- 目前选择使用N2G进行自动评估与解释是因为它的计算效率高，但只能捕捉非常简单的模式。之后可以开发更具表现力且成本低廉的解释方法，以提高解释精度。此外，仍没有好的方法来检查解释的有效性。
SAE可以在模型中的某一点找到特征，但这只是解释模型的第一步。我们需要更多的工作来了解模型如何计算这些特征，以及这些特征如何在模型的其余部分的下游使用。
此外，SAE无法捕获原始模型的所有行为。为了完全映射前沿LLM中的概念，我们可能需要扩展到数十亿或数万亿个特征，即使改进了扩展性，如此大的特征规模也将是一个挑战。
希望有一天，可解释性能够提供新的方法来推理模型的安全性和鲁棒性，并通过对强大的AI的行为提供强有力的保证，才能显著增加我们对模型的信任。
参考资料：
