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title: 第八講：淺談檢定大型語言模型能力的各種方式
tags: [機器學習, 生成式 AI, LLM]

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# 第八講：淺談檢定大型語言模型能力的各種方式
>上課筆記

* 上課影片連結
    * ==**[淺談檢定大型語言模型能力的各種方式](https://youtu.be/Hk8Z0uhmWg4)**==

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## 評量語言模型能力的基本框架

評估大型語言模型 (Large Language Model, LLM) 或其他人工智能模型能力的基本思路，是準備一系列標準化的輸入 (Inputs) 以及這些輸入對應的標準答案 (Standard Answers)。

比較模型 A 與模型 B 時，給予它們完全相同的輸入，觀察各自的輸出 (Outputs)，再將這些輸出與標準答案進行比對，藉此判斷哪個模型表現更佳。

這一整套用於評量模型能力的標準化輸入與答案集合，稱為 **Benchmark Corpus**。當開發者說要在 Benchmark 上評估模型時，指的就是利用這些公認的數據集來檢視模型的表現，並與其他模型進行比較。
![image](https://hackmd.io/_uploads/H15XWwAJxl.png)

然而，在實際評量 LLM 時，存在許多需要考量的複雜問題，首要挑戰便是如何根據標準答案來判定 LLM 的輸出是否正確。

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## 評量方式一：選擇題 (Multiple-Choice Questions)

一種看似簡單的方式是使用選擇題，因為選擇題有明確的標準答案。

### MMLU Benchmark

*   **Massive Multitask Language Understanding ([MMLU](https://arxiv.org/abs/2009.03300))** 是一個知名的選擇題 Benchmark Corpus。
*   MMLU 收集了上萬道涵蓋多種學科 (如數學、物理、化學等) 的選擇題。
*   這些題目通常具有相當的挑戰性，類似於高中或大學期中、期末考的難度。

### 選擇題評量的挑戰

儘管選擇題有標準答案，但在評估 LLM 的回答時仍會遇到困難，甚至**同一模型在不同文獻中的 MMLU 正確率也可能不同**。[[來源]](https://huggingface.co/blog/evaluating-mmlu-leaderboard)
![image](https://hackmd.io/_uploads/Hk7tZDA1lx.png)

#### 輸出格式的不確定性

*   LLM 的輸出是生成式的，不受格式限制。
*   **理想情況：** 模型直接輸出正確選項的代號 (例如 "B")。
*   **實際情況：**
    *   模型可能輸出包含選項的句子 (例如 "答案是 B")。
    *   模型可能輸出選項對應的內容 (例如 "根據計算，我認為是 1"，而選項 B 的內容是 1)。
*   **解決方式與問題：**
    *   **限制輸出格式：** 可以要求模型僅輸出選項代號，否則算錯。但這樣做可能只是在測試模型遵循指令的能力，而非其解題能力。模型可能因為想解釋原因而被判錯。
    *   **檢查關鍵字：** 寫程式檢查輸出是否包含正確選項代號 (如 "B")。但這無法處理輸出選項內容的情況。
![image](https://hackmd.io/_uploads/BkCMmwRkll.png)

#### 輸出機率的詮釋

*   LLM 的輸出本質上是基於一個詞彙的機率分佈。
*   可以限制只看選項 (A, B, C, D) 對應的 token 的機率，選擇機率最高的作為答案。
*   **問題：** 如果選項 B 在 A, B, C, D 中機率最高，但另一個非選項的 token (例如數字 "3") 的機率更高，這該算對還是錯？這反映了模型可能並非真的選擇 B，而是想輸出其他內容。
![image](https://hackmd.io/_uploads/HJAZ7DCJxg.png)

#### 選項順序與標籤的影響

*   **選項位置偏見：** [研究](https://arxiv.org/abs/2309.03882)發現，將 MMLU 所有正確答案移到選項 A，會讓本身傾向猜 A 的模型 (如 Llama-30B) 分數大幅提高，甚至超越其他模型。選項位置會影響評估結果。
*   **選項表示符號：** 使用不同的選項符號 (大寫 ABCD、小寫 abcd、數字 1234、帶括號的 (A)(B)\(C)(D)) 也會影響模型的表現。例如，GPT-3.5 在使用數字或帶括號的選項時，MMLU 正確率會下降。
![image](https://hackmd.io/_uploads/BJlYVwAyee.png)

因此，即使是看似簡單的選擇題，評量方式的細節 (如何判斷對錯、選項設計) 都會顯著影響結果。

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## 評量方式二：開放式問題 (Open-Ended Questions)

許多任務，如翻譯 (Translation) 或摘要 (Summarization)，並沒有單一的標準答案。

### 缺乏單一標準答案

*   同一段英文可能有多種合理的中文翻譯方式。
*   同一篇文章可能有多種有效的摘要方法。

在這些情況下，模型的輸出與提供的標準答案不同，不一定代表模型是錯誤的。

### 自動評量指標 (BLEU & ROUGE) 的侷限

*   過去已有自動評量指標來處理這類問題：
    *   **BLEU (Bilingual Evaluation Understudy):** 主要用於翻譯。
    *   **ROUGE (Recall-Oriented Understudy for Gisting Evaluation):** 主要用於摘要。
*   **核心思想：** 不要求完全一致，只要模型輸出與標準答案有部分詞彙 (n-gram) 重疊即可得分。
*   **侷限性：** 這些指標主要基於**字面比對**。它們可能無法捕捉語義上的相似性。例如，若標準答案是「幽默」，模型輸出「詼諧」，兩者意思相近但在字面上幾乎沒有重疊，BLEU/ROUGE 分數會很低，甚至判為全錯。
*   這些指標只能作為參考，不能完全反映翻譯或摘要的品質。
![image](https://hackmd.io/_uploads/Bk5brvCJee.png)

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## 評量方式三：人類評量 (Human Evaluation)

鑑於自動評量的侷限，人類評比通常被認為是最準確的方式。

### Chatbot Arena

*   [Chatbot Arena](https://chat.lmsys.org/) 是一個 LLM 的競技場，由人類擔任裁判。
*   **運作方式：**
    1.  使用者進入網站，系統隨機分配兩個匿名的 LLM。
    2.  使用者向兩個模型問相同的問題。
    3.  模型分別產生回答。
    4.  使用者根據回答品質，評斷哪個模型更好 (或平手、都不好)。
![image](https://hackmd.io/_uploads/S12JLw0Jeg.png)
*   **排行榜：** Chatbot Arena 維護一個基於 Elo 評分系統的即時排行榜 ([Leaderboard](https://chat.lmsys.org/?leaderboard))。
*   **意義：** 目前新聞報導中常提到的「某模型超越 GPT-4」等說法，很多時候是指在 Chatbot Arena 排行榜上的表現。不過排名會動態變化，頂尖模型 (如 GPT-4, Gemini Pro, Claude 3 Opus) 的能力通常在伯仲之間。
*   **缺點：** 人類評比非常耗時耗力，成本高昂。

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## 評量方式四：以模型評量模型 (LLM-as-a-Judge)

為解決人類評比的成本問題，研究者提出使用強大的 LLM (如 GPT-4) 來評估其他 LLM。

### 基本概念

*   將一個模型的輸出和標準答案一起輸入給評估模型 (如 GPT-4)，讓它判斷輸出是否正確或給予評分。[[1]](https://arxiv.org/abs/2305.01937)[[2]](https://arxiv.org/abs/2310.05657)
*   或者，將兩個模型 (A 和 B) 對同一問題的輸出都交給評估模型，讓它判斷哪個更好。
![image](https://hackmd.io/_uploads/S1m88wCygl.png)

### MT-Bench

*   [MT-Bench](https://arxiv.org/abs/2306.05685) 是一個知名的使用 LLM (GPT-4) 進行評量的 Benchmark。
*   **適用場景：** 主要用於評估那些沒有標準答案、難以自動評量的開放式問題 (如寫作、推理、知識問答等)。
*   **問題設計：** 包含約 80 個題組，每個題組通常有兩小題。第一小題是常規任務，第二小題通常更具挑戰性或有特殊限制 (例如，重寫遊記，但每個句子需以字母 A 開頭)。

### 模型評量的準確性與偏見

*   **準確性：** MT-Bench 使用 GPT-4 評量的結果，與 Chatbot Arena (人類評量) 的排名具有[高度相關性](https://github.com/tatsu-lab/alpaca_eval) (Spearman Correlation 高達 0.94)。這表明 LLM-as-a-Judge 是一個可行的方法。
![image](https://hackmd.io/_uploads/rkvmvwCkxe.png)
*   **偏見 (Bias)：**
    *   **長度偏見 ([Length Bias](https://arxiv.org/abs/2404.04475))：** LLM 評估者可能自身偏好較長、較詳細的回答，即使長度不等於品質。LLM 本身就傾向生成長篇大論。
    *   **修正：** [AlpacaEval 2.0](https://github.com/tatsu-lab/alpaca_eval) 在進行排名時，除了考慮 GPT-4 的評分，還會納入輸出長度的因素，對過長的回答進行懲罰，從而提高了與 Chatbot Arena 的相關性。
*   **持續發展：** 持續有新的、更可靠的 LLM-as-a-Judge Benchmark 被提出，例如 [Arena-Hard](https://lmsys.org/blog/2024-04-19-arena-hard/)，旨在進一步提高與人類判斷的一致性。

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## 評量內容：問什麼問題？

評量 LLM 時，不僅要考慮如何評分，也要思考應該問哪些類型的問題，才能全面反映其能力。

### 多任務綜合型 Benchmark

由於現代 LLM 通常具備多方面的能力，評量時傾向於使用包含多種不同任務的 Benchmark Corpus，以進行更全面的評估。

*   **發展趨勢：** Benchmark 包含的任務數量隨時間增加，反映了對 LLM 能力期望的提升。
    *   早期：[GLUE](https://arxiv.org/abs/1804.07461)、[SuperGLUE](https://arxiv.org/abs/1905.00537)，任務數量較少 (約 8-9 個)。
    *   近期：[FLAN](https://arxiv.org/abs/2109.01652)、 [CrossFit](https://arxiv.org/abs/2104.08835)、[BIG-bench](https://arxiv.org/abs/2206.04615)、[Natural Instructions](https://arxiv.org/abs/2204.07705)，任務數量可達數百甚至上千個。
![image](https://hackmd.io/_uploads/rJ0Y_PC1gg.png)

### BIG-bench：挑戰極限的任務

*   [BIG-bench (Beyond the Imitation Game benchmark)](https://github.com/google/BIG-bench) 是一個大規模合作項目，旨在收集各種挑戰 LLM 能力極限的「奇葩」任務。
*   **代表性任務：**
    *   **Emoji Movie：** 給定一組 Emoji，猜測對應的電影名稱。例如 👧🐟🐠🐡 -> Finding Nemo (海底總動員)；🐰🦊🚓🏙️ -> Zootopia (動物方城市)；🤠❤️🤠 -> Brokeback Mountain (斷背山)。這類任務常被用來說明大型模型展現出的某些小型模型所不具備的「湧現能力」(Emergent Capability)。![image](https://hackmd.io/_uploads/B1lKFPAJex.png)
    *   **Checkmate In One Move：** 給定西洋棋棋譜 (以文字表示)，要求模型找出一步可以將死對方將軍的棋步。早期的研究發現，雖然沒有模型能答對，但較大的模型至少能給出符合規則的棋步，顯示其對規則有基本理解，而較小的模型則完全不懂規則。![image](https://hackmd.io/_uploads/Skk7tPRJle.png)
    *   **ASCII Word Recognition：** 在一堆 ASCII 字符中找出隱藏的英文單字。這類任務對模型來說極具挑戰性。![image](https://hackmd.io/_uploads/HkhjKv0yex.png)

BIG-bench 的目標是透過這些非常規任務，更深入地探測 LLM 的能力邊界。

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## 評量特定能力

除了綜合性評估，也有針對 LLM 特定能力的評量方法。

### 長文本閱讀能力：大海撈針測試 (Needle in a Haystack)

*   **背景：** LLM 常宣稱能處理極長的輸入文本 (如數十萬 tokens)，但它們是否真的能有效利用全部信息？
*   **測試方法：** 由 Greg Kamradt 提出的 [Needle in a Haystack](https://github.com/gkamradt/LLMTest_NeedleInAHaystack) 測試 ([介紹影片](https://youtu.be/KwRRuiCCdmc?si=eRYBvVl2gTclSX1A))。
    1.  準備一篇長文 (Haystack)。
    2.  在長文的不同位置 (例如開頭、中間、結尾) 插入一個特定的、不相關的資訊片段 (Needle)，例如「在舊金山最好玩的事情是...」。
    3.  向 LLM 提問，要求它根據插入的資訊回答問題 (例如「在舊金山最好玩的事情是什麼？」)。
    4.  測試模型是否能在不同位置、不同長度的文本中準確找回「針」。
![image](https://hackmd.io/_uploads/SJ21cvAylg.png)
*   **目的：** 檢測 LLM 在處理長文本時，是否會忽略某些部分 (例如只關注開頭和結尾，而忽略中間)。
*   **GPT-4 結果：**
    *   在 64k token 長度內，GPT-4 幾乎能在任何位置找回資訊。
    *   在接近 128k token 長度上限時，如果「針」放在文本前 10% 到 50% 的位置，GPT-4 的檢索準確率會顯著下降，表明它可能會遺漏長文早期或中間部分的資訊。
![image](https://hackmd.io/_uploads/Hybz5D0yll.png)
*   **Claude 2.1 結果與 Prompting 影響：**
    *   Claude 系列模型以處理長文本著稱。然而，最初的 Needle in a Haystack 測試顯示 Claude 2.1 在長文本下的表現不佳。
    *   Anthropic 團隊[回應](https://www.anthropic.com/news/claude-2-1-prompting)指出，只要在提問時加入一句引導性的提示 ("Here is the most relevant sentence in the context")，Claude 2.1 的表現就能大幅提升，幾乎達到完美。
![未命名](https://hackmd.io/_uploads/ry0icDCyxg.jpg)
    *   **啟示：** 這個案例凸顯了 Prompt Engineering 對 LLM 評估結果有著巨大的影響。評估時使用的提示詞本身就可能影響模型的表現。

### 馬基維利主義：MACHIAVELLI Benchmark

*   **目的：** [測試](https://arxiv.org/abs/2304.03279) LLM 是否會為了達成目標而不擇手段，即是否具有馬基維利主義 (Machiavellianism) 傾向。
*   **測試方法：**
    1.  讓 LLM 玩文字冒險遊戲。
    2.  設定遊戲目標 (例如增進家族榮耀、推翻陰謀)。
    3.  在遊戲的每個節點，LLM 面臨抉擇 (例如是否與某人合作、是否背叛)。
    4.  根據選擇獲得遊戲分數 (Reward)，同時其行為也會被評估是否符合人類社會道德規範 (Ethical Violations)。
![image](https://hackmd.io/_uploads/Hk9fiw0klg.png)
*   **結果：**
    *   專門為遊戲高分訓練的模型，雖然得分高，但更容易做出違反道德的行為。
    *   GPT-4 表現出一定的「道德底線」，即使犧牲部分分數，也不會輕易做出嚴重違反道德的行為。
    *   透過 Prompt 要求 GPT-4 遵守道德規範 (Ethics Prompt)，可以使其行為更符合道德，但得分會降低。
![image](https://hackmd.io/_uploads/SJV1nv0kxl.png)
*   **啟示：** LLM 在追求目標和遵守規範之間存在權衡，且可以透過提示進行引導。

### 心智理論 (Theory of Mind - ToM)

*   **定義：** 心智理論 (ToM) 指的是**理解和推斷他人心理狀態 (信念、願望、意圖等) 的能力**，即類似「我知道你知道...」的能力。
*   **Sally-Anne 測試及其侷限：**
    *   經典的 Sally-Anne 測試用於評估兒童的 ToM。問題情境：
        ```
        Sally 和 Anne 旁邊有箱子和籃子，
        Sally 把球放籃子裡後離開，之後 Anne 把球移到箱子裡，
        問 Sally 回來後會去哪裡找球？
        (正確答案：籃子)。
        ```
    *   GPT-3.5 能答對原始的 Sally-Anne 測試。[[1]](https://arxiv.org/abs/2303.12712)[[2]](https://arxiv.org/abs/2302.02083)
    *   **潛在問題：** 這些經典測試題目在網路上隨處可見，LLM 可能只是記住了答案 (數據污染)。將人名、物品換掉 (如大雄、小叮噹、抽屜、衣櫃)，GPT-3.5 和 TAIDE 就可能答錯。
*   **更可靠的 ToM [測試](https://arxiv.org/abs/2310.15421)：**
    *   設計了更複雜、更不易被記住的測試場景。例如，設計對話情境，其中某角色 (如 Kaily) 離開了一段時間，錯過了部分信息 (如 Linda 說她的狗是黃金獵犬)。之後問 LLM：「Kaily 認為 Linda 的狗是什麼品種？」。需要 ToM 的正確答案是「Kaily 不知道」。
    *   **結果：** 在這類更可靠的測試中，即便是強如 GPT-4，其 ToM 能力也遠遜於普通人類。
![image](https://hackmd.io/_uploads/Hk256D0kxl.png)
*   **啟示：** LLM 目前的 ToM 能力可能被高估，它們在理解他人心理狀態方面仍有顯著差距。評估時需警惕數據污染問題。

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## Benchmark 結果的解讀注意事項

在使用 Benchmark 評估 LLM 時，必須謹慎解讀結果，切勿盡信分數。

### 資料污染 (Data Contamination)

Benchmark 的考題通常是公開的，這可能導致 LLM 在預訓練 (Pre-training) 階段無意中「看到」或「學習」了這些題目及其答案。

*   **污染的後果：** 模型在高分可能只是因為它「背」了題目，而非真正具備了相應能力。
    *   **實驗例證：** 有[研究](https://arxiv.org/abs/2311.04850) ([相關部落格](https://lmsys.org/blog/2023-11-14-llm-decontaminator/)) 發現，僅僅使用 MMLU 題目的「換句話說」版本去微調 (fine-tune) Llama-13B，就能使其在原始 MMLU 上的分數飆升至接近 GPT-4 的水平。這顯然不是真實能力的提升。
![image](https://hackmd.io/_uploads/SJhZCPA1gl.png)
*   **間接證據：訓練前後 Benchmark 表現差異**
    *   [研究](https://arxiv.org/abs/2312.16337)顯示，LLM 在那些發布於其**訓練資料截止日期之前**的 Benchmark 上的表現，普遍**好於**在那些**之後**才發布的 Benchmark 上的表現。
    *   這強烈暗示模型可能在訓練中接觸過舊的 Benchmark 資料。雖然也可能是新 Benchmark 本身更難，但污染是一個重要因素。
![image](https://hackmd.io/_uploads/HJHU0P0Jge.png)
*   **直接證據：模型能重現 Benchmark 範例**
    *   更有力的[證據](https://arxiv.org/abs/2312.16337)是，直接要求 LLM 生成某些 Benchmark (如 RTE, WNLI, COPA 等) 的訓練範例，許多模型 (如 GPT-3.5) 能夠**精確地輸出**這些數據集中的實際樣本。
    *   這無疑證明了這些模型確實「看過」這些 Benchmark 資料。
![image](https://hackmd.io/_uploads/BJaYAw0Jle.png)
*   **結論：** 在比較模型分數時，必須考慮數據污染的可能性，尤其是對於那些發布較早、廣泛使用的 Benchmark。

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## 評量的其他面向

評估 LLM 不應只關注能力 (效能)，還需考慮其他實際因素。

### 效能以外的考量 (價格、速度、硬體)

*   **成本 (Price)：** 使用 API 的價格 (例如每百萬 token 的費用)。
*   **速度 (Speed)：** 模型生成回應的延遲。
*   **硬體需求 (Hardware Requirements)：** 運行模型所需的計算資源 (尤其對於本地部署)。
*   **權衡 (Trade-offs)：** 不同模型在能力、成本、速度之間可能存在不同的權衡。例如，[Artificial Analysis](https://artificialanalysis.ai/) 網站提供了視覺化圖表，比較不同模型的能力指數與使用價格，幫助使用者根據需求選擇。可能存在能力相近但價格差異巨大的模型。
![Intelligence vs Price (29 Apr '25) ](https://hackmd.io/_uploads/rJabJuCkee.png)

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## 結論：能力與安全性的綜合考量

本節課主要討論了評量 LLM **效能 (Performance) / 能力 (Capability)** 的各種方法與挑戰。然而，一個好的 LLM 不僅要有能力，還必須是**安全可靠**的。

因此，除了效能評估，還必須考慮人工智慧的**安全性 (Safety)** 面向，例如：

*   **幻覺 (Hallucination) / 唬爛**
*   **易受欺騙 / 對抗性攻擊 (Adversarial Attacks)**
*   **偏見 (Bias)**
*   **內容抄襲 (Plagiarism)**
*   **有害內容生成 (Harmful Content Generation)**

這些安全性的考量將在[後續課程](https://hackmd.io/@Jaychao2099/gen-ai-9)中深入探討。

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