大型語言模型雖然性能優異，可以用零樣本或少樣本提示解決新任務，但LLM在實際應用部署時卻很不實用，內存利用效率低，并且需要大量計算資源。

比如運行一個1750億參數的語言模型服務至少需要350GB的顯存，而目前最先進的語言模型大多已超過5000億參數量，很多研究團隊都沒有足夠的資源來運行，在現實應用中也無法滿足低延遲性能。

也有一些研究使用人工標注數據或使用LLM生成的標簽進行蒸餾來訓練較小的、任務專用的模型，不過微調和蒸餾需要大量的訓練數據才能實現與LLM相當的性能。

為了解決大模型的資源需求問題，華盛頓大學聯合谷歌提出了一種新的蒸餾機制「分步蒸餾」（Distilling Step-by-Step），蒸餾后的模型尺寸相比原模型來說非常小，但性能卻更好，并且微調和蒸餾過程中所需的訓練數據也更少。

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2305.02301

分布蒸餾機制把LLM中抽取出的預測理由（rationale）作為在多任務框架內訓練小模型的額外監督信息。

 在4個NLP基準上進行實驗后，可以發現：

1. 與微調和蒸餾相比，該機制用更少的訓練樣本實現了更好的性能；

2. 相比少樣本提示LLM，該機制使用更小尺寸的模型實現了更好的性能；

3. 同時降低模型尺寸和數據量也可以實現優于LLM的性能。

實驗中，微調后770M的T5模型在基準測試中僅使用80%的可用數據就優于少樣本提示的540B的PaLM模型，而標準微調相同的T5模型即使使用100%的數據集也難以匹配。

蒸餾方法

分布蒸餾（distilling step by step）的關鍵思想是抽取出信息豐富且用自然語言描述的預測理由，即中間推理步驟，可以解釋輸入問題與模型輸出之間的聯系，然后再反過來用該數據以更高效的方式訓練小模型。

分布蒸餾主要由兩個階段組成：

1. 從LLM中抽取原理（rationale）

研究人員利用少樣本思維鏈（CoT）提示從LLM中提取預測中間步驟。

給定目標任務后，先在LLM輸入提示中準備幾個樣例，其中每個樣例由一個三元組組成，包含（輸入，原理，輸出）。

 輸入提示后，LLM能夠模仿三元組演示以生成其他新問題的預測原理，例如，在常識問答案任務中，給定輸入問題：

「Sammy想要去人群所在的地方。他會去哪里？答案選項：（a）人口稠密地區，（B）賽道，（c）沙漠，（d）公寓，（e）路障」

（Sammy wanted to go to where the people are. Where might he go? Answer Choices: (a) populated areas, (b) race track, (c) desert, (d) apartment, (e) roadblock）

通過逐步提煉后，LLM可以給出問題的正確答案「（a）人口稠密地區」，并且提供回答問題的理由「答案必須是一個有很多人的地方，在上述選擇中，只有人口稠密的地區有很多人。」

通過在提示中提供與基本原理配對的CoT示例，上下文學習能力可以讓LLM為沒見過的問題類型生成相應的回答理由。

2. 訓練小模型

通過將訓練過程構建為多任務問題，將預測理由抽取出來，并將其納入訓練小模型中。

除了標準標簽預測任務之外，研究人員還使用新的理由生成任務來訓練小模型，使得模型能夠學習生成用于預測的中間推理步驟，并且引導模型更好地預測結果標簽。

通過在輸入提示中加入任務前綴「label」和「rationale」來區分標簽預測和理由生成任務。

實驗結果

在實驗中，研究人員選擇5400億參數量的PaLM模型作為LLM基線，使用T5模型作為任務相關的下游小模型。

然后在三個不同的NLP任務中對四個基準數據集進行了實驗：用于自然語言推理的e-SNLI和ANLI、常識問答的CQA，以及用于算術數學應用題的SVAMP.

更少的訓練數據

與標準微調相比，分步蒸餾方法使用更少的訓練數據即實現了更好的性能。

在e-SNLI數據集上，當使用完整數據集的12.5%時就實現了比標準微調更好的性能，在ANLI、CQA和SVAMP上分別只需要75%、25%和20%的訓練數據。

 與使用220M T5模型對不同大小的人工標記數據集進行標準微調相比，在所有數據集上，分布蒸餾使用更少的訓練示例優于在完整數據集上訓練的標準微調。

更小的部署模型尺寸

與少樣本CoT提示的LLM相比，分布蒸餾得到的模型尺寸要小得多，但性能卻更好。

在e-SNLI數據集上，使用220M的T5模型實現了比540B的PaLM更好的性能；在ANLI上，使用770M的T5模型實現了比540B的PaLM更好的性能，模型尺寸僅為1/700

更小的模型、更少的數據

在模型尺寸和訓練數據同時降低的情況下，也實現了超越少樣本PaLM的性能。

在ANLI上，使用770M T5模型超越了540B PaLM的性能，只使用了完整數據集的80%

 并且可以觀察到，即使使用100%的完整數據集，標準微調也無法趕上PaLM的性能，表明分步蒸餾可以同時減少模型尺寸和訓練數據量實現超越LLM的性能。