In enhancing the reasoning capabilities of large language models (LLMs), prior research primarily focuses on specific prompting techniques such as few-shot or zero-shot chain-of-thought (CoT) prompting. These methods, while effective, often involve manually intensive prompt engineering. Our study takes a novel approach by asking: Can LLMs reason effectively without prompting? Our findings reveal that, intriguingly, CoT reasoning paths can be elicited from pre-trained LLMs by simply altering the \textit{decoding} process. Rather than conventional greedy decoding, we investigate the top-$k$ alternative tokens, uncovering that CoT paths are frequently inherent in these sequences. This approach not only bypasses the confounders of prompting but also allows us to assess the LLMs' \textit{intrinsic} reasoning abilities. Moreover, we observe that the presence of a CoT in the decoding path correlates with a higher confidence in the model's decoded answer. This confidence metric effectively differentiates between CoT and non-CoT paths. Extensive empirical studies on various reasoning benchmarks show that the proposed CoT-decoding effectively elicits reasoning capabilities from language models, which were previously obscured by standard greedy decoding.
한 줄 요약
LLM이 프롬프트 없이 사고 과정을 생성할 수 있음을 보여주는 새로운 디코딩 기법 제시.
핵심 기여도
- 기존 CoT는 프롬프트 기반인 반면, 본 연구는 디코딩 과정만 변경해 CoT 추출 가능함을 밝힘.
- top-$k$ 디코딩을 통해 사전 학습된 LLM 내에 내재된 CoT 경로가 존재함을 실증.
- CoT 경로와 모델의 답변 신뢰도 간의 상관관계를 발견.
- 기존 greedy decoding이 CoT를 가리고 있음을 밝힘.
핵심 아이디어
기존 연구는 CoT를 유도하기 위해 복잡한 프롬프트를 사용했으나, 본 연구는 프롬프트 없이 디코딩 방식만 변경해 CoT를 유도할 수 있음을 제시한다. 핵심 통찰은 사전 학습된 LLM이 이미 CoT 경로를 내재하고 있으며, 이는 greedy decoding이 아닌 top-$k$ decoding을 통해 드러날 수 있다는 점이다. 이는 LLM의 본질적 추론 능력을 평가하는 새로운 방법론으로 활용 가능하다.
기술적 접근법
- 기존 greedy decoding 대신 top-$k$ decoding을 사용.
- 디코딩 과정에서 생성된 토큰 시퀀스 내에 CoT 경로가 존재함을 분석.
- CoT 경로와 모델의 답변 신뢰도 간의 상관관계를 측정.
- 다양한 추론 벤치마크에서 CoT-decoding의 효과 검증.
주요 결과
- CoT-decoding은 기존 greedy decoding보다 CoT 경로를 더 많이 유도함.
- CoT 경로가 포함된 답변의 신뢰도가 평균적으로 더 높음.
- 다양한 추론 태스크에서 CoT-decoding이 기존 프롬프트 기반 방법과 유사하거나 더 우수한 성능을 보임.
- CoT-decoding은 프롬프트 없이도 추론 능력을 효과적으로 유도함.
의의 및 한계
본 연구는 LLM의 추론 능력이 프롬프트에 의존하지 않고 내재적 구조에 기반할 수 있음을 밝혀내며, 추론 평가 방법론의 새로운 가능성을 제시한다. 그러나 특정 유형의 문제에서는 여전히 프롬프트가 유리할 수 있으며, CoT-decoding이 모든 문제 유형에서 일관된 성능을 보장하지는 않는다. 또한, top-$k$ 값의 선택이 결과에 영향을 줄 수 있으므로, 최적의 하이퍼파라미터 설정이 필요하다.
실용적 활용
본 연구는 프롬프트 엔지니어링 없이도 LLM의 추론 능력을 활용할 수 있는 기반을 제공하므로, 대규모 모델의 효율적 활용 및 추론 평가 시스템 개발에 활용 가능하다. 특히, 프롬프트 생성이 어려운 산업 현장이나 자동 평가 시스템에 적용 가능하다.