百倍提升7B模型推理能力！颜水成团队携手新加坡南洋理工大学发布Q*算法

自OpenAI的Q*项目曝光后，业内相关讨论始终层出不穷。

据现有信息汇总，Q*项目被视作OpenAI在探索人工通用智能（Artificial General Intelligence, AGI）道路上的一次重大尝试，有望在包括数学问题解决能力、自主学习和自我改进等多个层面对人工智能技术带来革新性突破。

（英伟达科学家Jim Fan、图灵奖得主Yann LeCun等参与讨论OpenAI的Q*实现方式）

（Meta科学家田渊栋则认为Q*是Q-learning和A*的结合，且天然地适合推理任务，尤其在数学推理方面）

不过迄今为止OpenAI没有公开关于Q*算法的具体细节，其效果究竟如何我们并不得而知。

然而就在近日，一篇名为《Q*: Improving Multi-step Reasoning for LLMs with Deliberative Planning》的论文在AI圈内引发了不小的震荡。

论文链接：https://arxiv.org/abs/2406.14283

论文中提出的Q*算法不仅能够帮助小模型达到参数量比其大数十倍、甚至上百倍模型的推理能力，大幅提升了小模型的性能，还显著降低了计算资源的需求。

最值得关注的是，这篇论文竟然出自中国团队之手——由颜水成教授团队携手新加坡南洋理工大学团队共同发布！

根据实验结果，Q*成功帮助现有开源模型在GSM8K、MATH和MBPP数据集上取得性能飞跃，评分分别超越了ChatGPT和Gemini Ultra。

（Q*在AI圈内引发热议）

（外网网友直呼「中国AI赶上来了！」）

在《Q*: Improving Multi-step Reasoning for LLMs with Deliberative Planning》论文中，研究人员首先将大语言模型的推理轨迹分解为若干个状态。

对于每一个状态，参考DeepCubeA中的设计，通过将定义Path Cost的g(s_t)函数和定义Accumulated Reward的Q*(s_t, a_t)集成到同一个f(s_t)函数内，实现了对历史状态收益和未来期望收益的综合考虑。

最后利用A*搜索算法对状态进行最佳优先搜索，实现了对复杂推理任务的全盘规划，从而提升开源模型在推理任务上的性能。

其中g(s_t)表示当前轨迹中的多个历史状态，既{s1,…,s_t}，的聚合收益。

具体g(s_t)的函数形式可以通过人为定义，例如判断当前代码是否符合语法规则等，或者通过构建 Process Reward Model（PRM）进行监督学习得到；g(s_t)中的聚合方式可以为求和，最大值，最小值等。

为了获得状态-动作对(s_t, a_t)的最优Q值以实现规划，研究人员在当前LLM策略生成的数据上通过监督学习的方式训练了一个代理Q值模型。

训练过程中的真实标签可以由三种不同的方式得到，包括离线强化学习，蒙塔卡罗采样估计和利用更强大的语言模型补全。

实验结果表明，颜水成团队本次所提出的Q*框架，可以显著地提升LLM的推理能力：

• 在GSM8K数据集上，Q*帮助Llama-2-7b提升至80.8%的准确率，超越了ChatGPT；
• 在MATH数据集上，Q*帮助DeepSeek-Math-7b提升至55.4%的准确率，超越了Gemini Ultra;
• 在MBPP数据集上，Q*帮助CodeQwen1.5-7b-Chat提升至77.0%的准确率，缩小了与GPT-4的编程水平差距。

研究证明，Q*能够帮助参数量仅为7b的小模型达到参数量比其大数十倍甚至百倍模型的推理能力，大幅提升模型的性能，并显著降低了计算资源的需求。

颜水成团队表示，目前，Q*的研究尚在初级阶段，算法在各个环节还有进一步的改进空间。未来，团队会继续深入此项研究，不断提升国产开源模型推理能力，打破OpenAI闭源封锁，为人工智能前沿技术发展带来全新可能。

参考资料：

https://arxiv.org/abs/2406.14283

文章来自于微信公众号“新智元”，作者 “好困”