上篇：OpenAI o1 技术系列1：整体框架，利用Test-Time Scaling Law提升逻辑推理能力
在o1的整体框架篇中（https://zhuanlan.zhihu.com/p/773907223），我们从现有开源的论文和代码中（https://github.com/hijkzzz/Awesome-LLM-Strawberry），抽象出了o1可能的技术实现路径，如下图：
这里对于这张框架图我们不再做赘述，详情可以参见上面《框架篇》的文章链接。
我们之前说过，这是一张高度抽象的框架图，旨在说明o1官方技术报告中提到的“把更多算力花在inference阶段上，以提升模型的逻辑推理能力”的含义。而从本文开始，我们将以具体的算法去扩展这张框架图的细节。
今天我们要具体扩展的，就是框架图中的Inference部分（黄色块），从框架图可知，Inference部分一般有两个作用：
作用1：直接对inference过程进行优化，具体的优化方法例如：
PRM + some search methods。其中PRM表示我们额外训练的、用于评估“模型中间步骤”而不是“模型答案结果”的奖励模型。我们在框架篇中给过使用这种优化方法的具体例子，这里不再赘述
MCTS（Monte Carlo Tree Search）。使用蒙特卡洛树搜索的方法（AlphaGo中采用过），通过self-play的方式来找到一条最佳的“原始问题->中间步骤->答案”路径。从广义上来说，PRM + some search methods的方法其实也算是一种MCTS-style类型的搜索方法，只不过在MCTS中，我们通过“探索”步骤去估计结点的reward，而一个训练好的PRM则是直接替代了这种“探索-评估”过程。如果你对这些描述觉得抽象，那也没关系，MCTS是本文讲述的重点，我们马上会在文章中看到它的实现细节。
作用2：用于在post-training过程中筛选高质量的数据进行训练。
从对目前的一些开源工作的总结中，我们发现，在提升模型推理能力这一环节有一个核心的原则：尽量少用人工标注，多借助已有模型（base generator）本身的能力，去自动化地生产训练数据。然后再利用这些训练数据，通过sft或者强化学习等等post-training的方法，去提升模型的推理能力。
为了保证这些自动化生成的训练数据的质量，我们可以引入Inference模块，帮助我们搜索出高质量的数据。
所以，Inference模块可以看作是o1实现中的一块积木。当你理解这块积木的目的、以及一些可能的实现方法后。你就可以按需要灵活把它组装在你心目中o1的任何一个环节。在网上关于o1的资料中，我们可能经常会看见“MCTS，self-play”这样的关键词，它其实就是这块黄色积木的一种实现方式。不过笔者认为，o1走的不是纯靠优化inference的路线（即上图中的framework1），更可能走的是post-training + inference路线（即上图中的framework3，因为o1的技术报告中提过它把算力也花在了RL阶段上）。但是无论如何，了解这块积木的实现总是必要的。
在这篇文章中，我们将以微软在今年开源的rStar这个工作为例（https://github.com/zhentingqi/rStar），全面从源码出发，来详细看下MCTS技术是如何运用在nlp的逻辑推理任务上的（毕竟我们对MCTS的主要了解都来自AlphaGO，我们肯定非常好奇它要如何运作在自然语言上，特别是这个前提下它的搜索空间是什么）。阅读本文不需要任何MCTS先验知识，文中会循序渐进地做介绍。
一、为什么选择rStar
rStar的目的同样是提升模型的逻辑推理能力，但是它走的是上图中的framework1，也就是纯靠inference的搜索优化来实现目标，同时它选择的是MCTS而非PRM + search methods的方法。rStar作出这样选择的原因如下：
Base generator是个小模型(SLM, Small Language Model)。rStar针对的是小模型场景，对于小模型来说，它本身的能力就不强，所以我们不能指望小模型能借助pretrain阶段的能力去生产高质量的训练数据，也即post-training自产自消的方法在小模型上难以走通。同时，在大部分业务场景下，我们可能也没那么多训练资源。
PRM的训练是费钱的。如果非要用人工标注，那么大概率这个标注会花在PRM的训练上（参考框架篇中对openai的PRM的训练方式介绍）。对于身处贫苦环境中的我们，以及被落地okr催促的老板们，时间和金钱成本是能省则省。
正因为rStar走的是纯Inference的路线，所以更便于我们从”一块积木”的视角来理解框架图中的黄色块。同时，利好小模型的场景也更适合资源有限的我们。最后，当然是rStar的代码完全开源，方便我们一探所有的细节，少一些自己的想象（rStar的论文其实写得比较精简，少了很多细节的描述，也一定程度上造成代码不太好读）。
二、按照人的思考方式构造一棵搜索树
这里我们先不谈MCTS的任何概念，我们只看：对于某个问题，你会采用什么样的思维链来解决它？
假设我们有一个简单的问题：
user_question:
If there are 3 cars in the parking lot and 2 more cars arrive, how many cars are in the parking lot?
为了解决它，我们可能有如下思考方式（所有的思考方式都以字母A开头，表示Action）
2.1 A1（propose a one-step-thought）
我们会做过程的拆解，每次提出一个推理step，直到生成最后的答案。我们记这种思考方式为A1。例如：
A1（propose a one-step-thought）
### Instruction:
If there are 3 cars in the parking lot and 2 more cars arrive, how many cars are in the parking lot?
### Response:
Let's think step by step.
Step 1: Start with the number of cars that are already in the parking lot, which is 3 cars.
Step 2: Add the number of cars that arrive, which is 2 cars.
Step 3: Add the numbers together. there are 3 cars + 2 cars = 5 cars in the parking lot.
Step 4: The answer is 5.
观察上面的steps，我们会发现：
总是以Let's think step by step.开头
每个step的形式是“该step的推理文字+该step的答案”。例如step1中，在一段推理相关的文字结束后，能提取出“3”这个数字答案
最后一个step以“The answer is”开头，表示产出了原始问题的最终答案。
2.2 A2（propose the remaining thought steps）
对于一些简单的问题，我们可能并不会步步思考。我们会一次性通过一些简单的推理后直接给出答案，例如：
### Instruction:
If there are 3 cars in the parking lot and 2 more cars arrive, how many cars are in the parking lot?
### Response:
Let's think step by step. There are originally 3 cars. 2 more cars arrive. 3 + 2 = 5. The answer is: 5.
2.3 A3 (propose next sub-question along with its answer)
有时候，我们会把原始问题拆解成很多子问题，然后回答一个个子问题，最终给出答案，例如：
Question 1: If there are 3 cars in the parking lot and 2 more cars arrive, how many cars are in the parking lot?
Question 1.1: How many cars are there in the park before?
Answer 1.1: There are 3 cars in the park before.
Question 1.2: How many cars arrive then?
Answer 1.2: 2 more cars arrive.
Question 1.3: Now we can answer the question: how many cars are in the parking lot?
Answer 1.3: There are 3 + 2 = 5 cars in the parking lot now. The answer is 5.
其中，Question1是原始问题，其余是拆解的子问题。其中，Question 1.3属于终结类型的子问题，因为回答它就等于回答了最终答案。这种拆解子问题的方式更适合用来解决困难问题，我们的例子比较简单，这里只是展现出一个形式。
2.4 A4 (Answer the sub-question again)
这种方式将和A3一起配套使用，例如，对于A3的Question1.1，你可能并不确定Answer1.1是否正确，这时你想重新再思考一次Answer1.1的答案。由于此时你只是对某一个子答案做修正，因此你可能采用A2（propose the remaining thought steps）的方式，做一些简单的推理，重新取得Answer1.1。此时相当于把Answer1.1用A2例子中的输出结果进行替代，这里不再给出具体例子。
2.5 A5（Rephrase the question/sub-question）
有时我们在做题时，通常会在大段的原始题目描述中，把关键信息提取出来，例如：condition1..., condition2等等。我们可以先通过这种方式改写原始题目/子题目，然后再做回答。这个比较好理解，同样也不再给出具体的示例。
2.6 整合：构造一颗搜索树
总结一下，目前为止，我们按照人类的思维方式，总结出了人类解决一个问题时可能采用的5种方法：
A1（propose a one-step-thought）：步步推理，每一步都有一些中间答案，然后在最后一步中得到最终答案
A2（propose the remaining thought steps）：一次性推理完毕，直接得出最终答案
A3 (propose next sub-question along with its answer)：将原始问题拆解成若干子问题并做相关回答。最后一个子问题的答案即是最终答案（和A1有些类似，但采取的是subquestion-subanswer这种指示方式）
A4 (Answer the sub-question again)：有时A3中某个子问题的回答不一定可信，我们尝试重新回答它。这时我们会采用A2的模版，重新回答这个子问题
A5（Rephrase the question/sub-question）：重新复述一个原始问题/子问题。例如去掉大段文字表述信息，只把关键部分提取成condition1..., condition2之类的形式，用这个形式当作新的问题。
在代码操作中，我们会按2.1～2.5的示例，构造相应的prompt来指示模型执行不同的动作。下图给出了A1的prompt示例，更多例子大家可以参见源码中rStar/prompts部分：
当人解决问题时，可能会根据问题的难度，决定不同的解决模式，但是当我们采用模型进行搜索时，模型是很难预知问题难度的，所以我们总是希望：模型能够尽可能地把这些解决方式（Action）都探索一遍。
那么接下来，我们就配合着rStar的源码，一起来看下这棵搜索树长什么样子（这里我们不使用论文中的图，因为它缺少了太多细节，我们直接从源码出发重新绘制）：
我们先看一些基本信息：
搜索树的根结点是原始问题。
方形node表示终止结点（leaf node），例如图中的cot结点（A2）。但注意，不是只有cot结点才是leaf node。例如A1中的最后一个step，A3中的最后一个子问题-子回答都可以成为leaf node。
虚线表示选择性探索（根据你的脚本配置决定），实现表示必须性探索。
接下来我们来看图中的更多细节：
我们从根结点（第0层）出发，根结点是用户的原始问题，对于根结点来说：
A1（a step），A5（rephrase）是选做的，A2（remaining steps，图中按源码的命名方式称为cot），A3（next subqs and subas）是必做的。其中，经过A5后，相当于从一个全新的用户问题出发，所以A5之后创建分支的规律和根结点一致，因此图中不再画出。现在我们观察图中的第1层，也就是根结点所有的子节点
先看第1层中的A1部分（蓝色块），它表示对原始问题并行采样若干个step1（代码中默认采样3个）。每个step1都是一个A1类型结点。并行采样的目的也是为了拓宽搜索空间。从直觉上理解，对于一个原始问题，当我们决定采取A1的思考方式解决它时，不同的人产出的step1是不同的，所以这里我们要做并行采样。
再看第1层中的A2部分（绿色块），它表示对原始问题做简单推理后，一步生成最终结果。这里同样采用了并行采样的方式（默认值为32）。因为已经生成最终答案，所以A2结点都是leaf node，它不会再往下做任何扩展。
再看第1层中的A3部分（红色块），它表示对原始问题产出next subquestion及其对应的subanswer。这里同样采用并行采样的方式（默认值为3），例如对原始问题，我们并行采样三个Question1.1和Answer1.1。
再看第1层中的A5块（灰色块），它表示对原始问题进行重述，前面已提过，这里不再赘述。
那么根结点的子节点中为什么没有A4（re-answer subquestion）呢？因为根据A4的性质，A4一定只能出现在A3之后，所以这里不会有。
接下来我们从第1层出发，以第1层为例，探索下不同类型的结点可以生成什么类型的子节点，以及最终可能的leaf node类型。只要搞清楚了第1层，其余层就可以类推了。
对于A1(a step)类型结点
它只能产生A1（选做）和A2（必做）两种类型的子节点。也就是说，基于当前step，我们必须产出一个一步到位的推理结果，选择性产出一个step by step的结果。
A1结点最后的leaf node既可以是A2（一步到位产出了最终结果），也可以是A1类型（最后一个step的结果）
A1类型结点的值包含“该step推理文本 + 该step阶段性答案”，参见2.2中的例子
对于A2（remaining thoughts）类型结点
如前文所说，它已经一步到位产出了答案，所以是leaf node，它不会再有子节点 对于A3（subqs and subas）类型结点
它可以产生A1（选做），A2（必做），A3（必做），A4（必做）类型子节点
图中第1层，我们只画出了并行采样出的第1个A3结点的子节点情况，其余并行采样的结果也是类推，因此图中没有画出，只用简单的省略号表示。（这个省略号其实也应该画在第2层，因为图的尺寸限制画偏了，特此说明）
A3结点往下延伸的leaf node，可以是A1（最后一个step结果），也可以是A2（一步到位产出最终结果），也可以是A3（最后一个subqs + subas结果，参考2.3示例）。
对于A4（re-answer subqs）类型结点（这一部分我们参考第2层）
它可以产生A1（选做），A2（必做），A3（必做）类型子节点
当我们执行A4时，你可以理解成只是重新修改了它的parent层的sub answer。
它的leaf node可以是A1（最后一个step结果），也可以是A2（一步到位产出最终结果），也可以是A3（最后一个subqs + subas结果，参考2.3示例）
总结一下，到目前为止我们已经解决了：
我们先根据人类思考问题的模式，设置搜索动作空间（Action，缩写为A）。
搜索空间中的不同动作之间可能有前-后（parent-child）的依赖条件，我们根据这些条件，决定了一个完整的搜索树要长什么样。
但是，仍有一些重要但未解的问题：
这棵树是我们站在上帝视角，（基本）穷尽所有的动作可能后构造出来的。那么对于模型，它应该怎么按我们的想法构造出这棵搜索树呢？
有了这棵搜索树后，我们要如何从根结点（user question）开始，选择一个最佳的推理路径并产出最后的答案呢？
为了解决这两个问题，现在我们可以请出MCTS这个算法了。
三、使用MCTS搜索最佳推理路径
3.1 使用rollout构造搜索树
对于模型来说，现在它将从原始问题出发，构造一棵搜索树。我们先来看从根结点出发，模型构造搜索树的过程：
对于根结点来说：
执行select步骤。选中根结点（我们马上就来看select更多细节，目前为止我们只用关注这一步select到了根结点）
执行expand步骤。按照第二节中我们说的各结点间的依赖规则，为被选中的结点（这里是根结点）创建所有可能的子节点。为了绘图简便，这里我们略去了2.6节中所述的“并行采样”的过程，但实操中依然是并行采样的！
执行simulate步骤。随机选择一个子节点，重复执行“expand-随机”步骤，直到遇到leaf node或者达到设定的最大搜索深度为止。注意，只有两种类型的node可以成为leaf node（这和第二节中我们列的leaf node的理想情况有些许不同）。
Terminal A3 node：如果一个subquestion结点是最后一个子问题（“最后一个的含义”是，子问题中包含原始问题，或者子问题以“Now we can answer the question"开头，参见2.3示例。能做到这一点是因为我们通过相关prompt来指示模型生成结果 ）
Terminal A2 node：这个node本身就是一步推理产出最终结果，前面已经说过，这里不赘述
执行backprop步骤。这一步我们将计算leaf node的reward，同时将本次搜索路径上所有node.reward += leaf_node.reward，node.freq += 1，其中freq表示node被访问的次数。那么如何计算leaf node的reward呢？
Terminal A3 node reward：对于A3类型的leaf node，我们对这最后一个子问题，并行采样若干个子回答。假设我们采样n个子回答，这些回答中指向答案x,y,z的条数分别是a,b,c(n = a+b+c)，那么x答案的占比就是a/n，以此类推，我们选择占比最大的那个答案作为最终答案，并将这个占比作为reward。
Terminal A2 node reward：对于A2类型的leaf node，我们则直接在它的所有并行采样结果中计算答案占比，计算方式同上。
这样一轮select + expand + simulate + backprop的步骤，就称为1次rollout。不难发现，在1次rollout过后，我们构造出了一部分搜索树（这里我们先只谈构造，不谈搜索，大家不要着急）
接下来我们执行第2轮rollout，继续构造我们的搜索树（这里不再画图了，我们直接从1st rollout的图例中想象一下）：
执行第2轮rollout的select步骤。第2轮rollout将从第1轮backprop后构造的那棵搜索树出发。同样从根结点开始向下选择，我们先走到第1层，发现有3个子节点都没被探索过，这时我们随机选择一个子节点，例如图中第1层的A5（rephrase），这个子节点将被用作expand。到这里，我们再深度总结一下select步骤要做的事情：
每次都从根结点出发，向下逐层探索（explore），直到找到一个未被探索过的结点为止。
如果从根结点出发，发现某一层（比如第1层）所有的结点都被探索过了。那么我们就计算每个结点的UCT值（在3.2节中会细说，这个UCT值可以理解成用于计算一个结点的探索价值，它由结点的reward、freq和用于控制探索权重的超参C决定）。我们选择UCT值最大的结点，向下层继续搜寻，以此类推。
所以，总结来看，select步骤的目的就是尽可能找到一条未被探索、或者具有最高探索价值的路径。以便后续沿着它往下扩展，生成更好的搜索树。
执行第2轮的expand、simulate、backprop步骤。道理同上，不再赘述。
这里额外再提一句，生成搜索树的每一层时，我们都需要用前面所有层的推理步骤作为上文，传递给模型做生成，大家可以自行阅读源码找到构造上文的更多细节，这里不再额外介绍。
好，到这里为止我们已经理清单轮rollout的概念了，以此循环往复，在执行若干轮rollouts（代码默认值为16）后，我们就有一棵相对完整的搜索树了，接下来我们就可以基于这棵树去找到一条最佳的推理路径了。但是在介绍具体的搜索方法之前，让我们再来看看，如何计算一个结点的UCT值（UCT值越大，该结点被探索的价值越大）。
3.2 计算结点的UCT值
一个结点的UCT值计算方式如下：
Q：截止到本轮rollout为止，该结点的累积reward N：截止到本轮rollout为止，该结点的累积被访问的次数 N_parent：截止到本轮rollout为止，该结点的父结点累积被访问的次数 c：探索权重，c值越大，更侧重探索（explore）而不是利用（exploit），有点抽象，不要紧，我们马上细说
什么样的结点更具被访问的价值呢？从直觉上说，平均reward越大的结点，表现越好，应该更具访问价值。这就是Q/N在做的事情。而这一部分也被称为利用（exploit），也即我们直接利用当前的结点价值数据做决策。
但是，如果一个结点被访问的次数比较少（比如它的父结点被访问了几百次，它才被访问几次而已），这说明这个结点所在的路径可能有更多的“宝藏”还没被我们发现，因此我们也应该给这些结点更多的机会。这就是c*sqrt(N_parent/N)在做的事情。而这一部分也被称为探索(explore)，也即我们给访问次数较少的路径更大的被探索的机会。
而人为设置的探索权重c，就起到控制explore和exploit程度的作用。一般来说，我们会对c采用一些"退火策略“即：
对于初期的那些rollouts，我们用较大的c，侧重探索
对于后期的那些rollouts，我们用较小的c，侧重利用。毕竟这时对于这棵树，我们已经有很多先验的价值评估了。
理解这一点，阅读代码中的相关部分就不难啦。
3.3 搜索最佳路径
（1）直接从树中搜索
在若干轮rollouts后，我们终于有了一棵相对完整的搜索树了，那么现在对于一个原始问题（根结点），我们该选择一条最佳的路径，帮助我们找到合理的推理过程和答案呢？
首先，对于这棵搜索树，我们找到所有有效的solution nodes。满足以下任意条件的node是solution node：
node是terminal A3 node（具体定义我们在3.1中讲过，不赘述）
node是A2 node（图中cot，天然就是terminal）
node是terminal A1 node（定义是最后一个step中含“The answer is...”字符串，再复习一遍，之所以出现这种模式是因为受我们的prompt控制）。由此我们可以发现，solution nodes = leaf nodes + terminal A1 nodes。
这些被找出的solution nodes及其相关的路径就是我们所有的备选项。我们想从这些备选项中找到1条最好的，所以接下来我们就来研究怎么量化“好不好”的问题。
每一个solution node下都涵盖一个最终答案。我们以这个答案为key对所有solution node做group by，即含有相同答案的solution node为一组。这时我们会得到一个字典，形式如{ans1: [solution nodes], ans2: [solution nodes], ...}
接下来我们同样通过前文所说的“占比计算法”，统计每个答案的投票得分。例如一共有n个solution nodes，答案ans1, ans2, ans3下的solution nodes数量分别为a,b,c(n = a+b+c)，那么ans1的投票得分为a/n，以此类推。
计算每个solution node的prior weights，用于衡量其所在路径的整体质量，我们展开细说：
对于一个solution node，我们从它的父结点开始往上逐层遍历
在每一层中，我们将“遍历到的结点 + 它之前所有的祖先结点”产出的推理结果拼在一起，再使用一个A2（propose remaining thoughts）的prompt，基于这个拼接结果，并行采样出若干个一步到位的答案。
我们计算这若干个一步到位的答案中，有多少个solution node的答案一致，我们记这个比例为depth_score，也就是每一层推理上的得分。
那么最终一个solution node的prior weight = prod(depth_score)，也就是它的路径上每一层depth score的乘积。
这个prior weight直觉上的理解就是，如果一条路径上，每一步推理过程都稳定地指向solution node的答案，说明整个推理过程是高度自洽的，这时我们就给这个solution node一个比较高的prior weight。这样就可以避免“答案是对的，但是过程可能是懵的”的情况。由于论文中没有谈及这块，且代码写得比较难读，所以可能很多朋友在读源码时会困惑在这里，这边特此说明下。
如果按照之前构造搜索树时simulate步骤找到最终答案和计算reward的方法，我们只需要选择投票得分最高的答案即可。
但是，有时候一个答案的投票得分虽然高，但是整体的推理过程质量却不一定好。那么什么样的推理过程才算好呢？我们可以做一个简单的假设：
现在，对于一个solution node（及其相关路径），我们有一个用于评估其答案的投票得分，和一个用于评估其推理过程质量的prior weight，那么这个solution node的最终得分就是两者的乘积。那么此时，我们同样有2种办法可以选择出一个最佳solution node:
方法1: 选择得分最高的那个solution node及其path即可（目前代码的默认做法）。
方法2：对于一个solution node，计算一个prob值，这个prob值 = 它的score/所有solution nodes的score之和。然后这个solution node将以概率prob被随机选中成为最佳solution node（代码中写了但没有用到）
（2）使用discriminator
在3.3（1）中，我们讲解了直接从构造好的搜索树中选择最佳路径的方法。但是在rStar中，还提供了另一种巧思：借助一个discriminator。也就是我们构造的搜索树相当于一个generator，我们使用discriminator从generator的结果中找到最可信的那个，这和我们熟知的GAN非常相似。其中generator和discriminator都是小模型，但是不同的小模型。
我们来看详细的过程：
在构造好的搜索树中，我们取出每一次rollout找到的leaf node，以及最后一次rollout找到的solution node。这些node将成为我们的备选项。我们将使用discriminator从这些备选项中找到最好的。 对于每一条备选路径，我们把整条路径上的“user question -> 推理步骤 -> 答案”拼接起来，形成一个完整的文本。 对于这个文本，我们随机选择一个推理步骤，然后mask掉这个推理步骤之后的所有结果（包括答案），如下图所示，Question + SLM1是我们的一条备选路径。Masked Solution SLM2则是我们把SLM1中的一些结果mask掉后，输入给我们的discriminator（SLM2）
我们把mask掉的文本喂给discriminator（SLM2）。如果SLM2生成的答案和SLM1的一致，则我们认为这个推理路径是可信的，因为两个不同的模型都基于同样的推理文本给出了相同的结果（consistent，图中绿色示例）。否则就是不可信的（图中红色示例） 我们使用这种一致性，从备选路径中筛选出一波generator和discriminator一致的结果。然后再用之前所说的计算各种得分的方式，找到最可信的1条路径。更多的细节，大家可以自行阅读源码。
四、总结
在本文中，我们以rStar为例，从代码级别的角度，给出了o1（可能的）实现框架中Inference这块积木的一个实现方法。在写这篇文章时，我本来想放一些源码和注释的，但是考虑到它在公众号里太占篇幅，可读性不高，所以没有放出来。但是源码中最精华的部分已经在前面的讲解中了，可以大大降低大家读源码的难度。后续我会把带注释的源码解读更新在我的知乎上（https://www.zhihu.com/people/lemonround），大家有兴趣可以来看～
有了对MCTS如何运用在nlp任务上的一些初步理解，接下来我们就可以按自己的兴趣，广泛探索这块黄色积木的各种实现方式啦（其实本质上都做得差不多）。在后面的系列中，我们将继续对框架做拆解，加入更多的积木。
备注：进群，进入大模型技术群
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