preference-optimization rlhf alpacaeval self-play mistral-7b llama-3-8b nash-equilibrium ultrafeedback
Abstract
Standard reinforcement learning from human feedback (RLHF) approaches relying on parametric models like the Bradley-Terry model fall short in capturing the intransitivity and irrationality in human preferences. Recent advancements suggest that directly working with preference probabilities can yield a more accurate reflection of human preferences, enabling more flexible and accurate language model alignment. In this paper, we propose a self-play-based method for language model alignment, which treats the problem as a constant-sum two-player game aimed at identifying the Nash equilibrium policy. Our approach, dubbed Self-Play Preference Optimization (SPPO), utilizes iterative policy updates to provably approximate the Nash equilibrium. Additionally, we propose a new SPPO objective which is both strongly motivated by theory and is simple and effective in practice. In our experiments, using only 60k prompts (without responses) from the UltraFeedback dataset and without any prompt augmentation, by leveraging a pre-trained preference model PairRM with only 0.4B parameters, SPPO can obtain a model from fine-tuning Mistral-7B-Instruct-v0.2 that achieves the state-of-the-art length-controlled win-rate of 28.53% against GPT-4-Turbo on AlpacaEval 2.0. It also outperforms the (iterative) DPO and IPO on MT-Bench, Arena-Hard, and the Open LLM Leaderboard. Starting from a stronger base model Llama-3-8B-Instruct, we are able to achieve a length-controlled win rate of 38.77%. Notably, the strong performance of SPPO is achieved without additional external supervision (e.g., responses, preferences, etc.) from GPT-4 or other stronger language models. Codes are available at https://github.com/uclaml/SPPO.
한국어 요약
한 줄 요약
SPPO는 인간 선호의 비이성적 특성을 반영한 게임 이론 기반 언어 모델 정렬 방법으로, UltraFeedback 데이터셋과 PairRM 0.4B 모델로 28.53%의 길이 제어 승률을 달성한다.
핵심 기여도
- SPPO는 상수합 2인 게임에서 Nash 균형 정책을 반복 정책 업데이트로 근사하여 언어 모델 정렬 문제를 해결한다.
- UltraFeedback 데이터셋의 60k 프롬프트(응답 없음)와 PairRM 0.4B 모델만으로 Mistral-7B-Instruct-v0.2를 미세조정하여 AlpacaEval 2.0에서 28.53%의 길이 제어 승률을 달성한다.
- DPO와 IPO 대비 MT-Bench, Arena-Hard, Open LLM 리더보드에서 우수한 성능을 보인다.
- GPT-4 등 외부 모델의 추가 지도 없이도 뛰어난 성능을 유지한다.
핵심 아이디어
기존 RLHF는 Bradley-Terry 모델과 같은 매개변수 모델을 사용하여 인간 선호를 모델링하지만, 이는 선호의 비이성적, 비순환적 특성을 포착하지 못한다. SPPO는 대신, 언어 모델 정렬 문제를 상수합 2인 게임으로 모델링하고, Nash 균형 정책을 찾는 방식을 제안한다. 이는 반복적인 정책 업데이트를 통해 이론적으로 수렴 보장을 갖는다. SPPO는 선택된 응답의 로그-우도를 증가시키고 거부된 응답의 로그-우도를 감소시키는 방식으로, DPO나 IPO와 같은 대칭적인 쌍점 손실 함수가 달성하기 어려운 목표를 달성한다.
기술적 접근법
- **SPPO 알고리즘**: 상수합 2인 게임에서 Nash 균형을 반복 정책 업데이트로 근사.
- **데이터**: UltraFeedback 데이터셋의 60k 프롬프트(응답 없음) 사용.
- **모델**: 미세조정 대상 모델은 Mistral-7B-Instruct-v0.2, Llama-3-8B-Instruct.
- **선호 모델**: PairRM 0.4B 파라미터 모델 사용.
- **정렬 기준**: 길이 제어 승률(length-controlled win rate)을 주요 평가 지표로 사용.
주요 결과
- **AlpacaEval 2.0**: SPPO Iter3는 GPT-4-Turbo 대비 길이 제어 승률 28.53% 달성.
- **DPO 대비 성능**: 길이 제어 승률 28.53% vs. DPO 26.39% (+2.14%), IPO 25.45% (+3.08%).
- **MT-Bench**: SPPO Iter3는 평균 점수 7.59 달성.
- **Llama-3-8B-Instruct 기반**: 길이 제어 승률 38.77% 달성.
의의 및 한계
SPPO는 기존 RLHF와 달리 매개변수 모델에 의존하지 않고, 인간 선호의 비이성적 특성을 직접적으로 반영하여 더 유연하고 정확한 언어 모델 정렬이 가능하다는 점에서 학술적 의의가 있다. 또한, 외부 강력한 모델(GPT-4 등)의 추가 지도 없이도 뛰어난 성능을 보이는 점에서 실용적 가치가 있다. 그러나 현재는 3회 반복 정렬까지만 평가되었으며, 더 많은 반복이 성능 향상에 기여하는지에 대한 분석은 부족하다. 또한, 길이 제어 승률이 인간 평가와 98%의 상관관계를 보이지만, 여전히 완전한 인간 평가 대체 수준은 아니다.
실용적 활용
SPPO는 인간 선호 데이터가 제한적이고 외부 강력한 모델의 지도가 어려운 상황에서 언어 모델 정렬에 적용 가능하다. 특히, 대규모 언어 모델의 효율적인 미세조정이 필요한 산업 및 연구 분야에서 유용할 수 있다.