君可知，我們每天在網(wǎng)上的見聞，有多少是出自 AI 之手？
除了「注意看！這個男人叫小帥」讓人頭皮發(fā)麻，真正的問題是，我們無法辨別哪些內(nèi)容是 AI 生成的。
養(yǎng)大了這些擅長一本正經(jīng)胡說八道的 AI，人類面臨的麻煩也隨之而來。（LLM：人與 AI 之間怎么連最基本的信任都沒有了？）
子曰，解鈴還須系鈴人。近日，谷歌 DeepMind 團隊發(fā)表的一項研究登上了 Nature 期刊的封面：
研究人員開發(fā)了一種名為 SynthID-Text 的水印方案，可應(yīng)用于生產(chǎn)級別的 LLM，跟蹤 AI 生成的文本內(nèi)容，使其無所遁形。
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08025-4
一般來說，文本水印跟我們平時看到的圖片水印是不一樣的。
圖片可以采用明顯的防盜水印，或者為了不影響內(nèi)容觀感而僅僅修改一些像素，人眼發(fā)現(xiàn)不了。但本文添加的水印想要隱形貌似不太容易。
為了不影響 LLM 生成文本的質(zhì)量，SynthID-Text 使用了一種新穎的采樣算法（Tournament sampling）。
與現(xiàn)有方法相比，檢測率更高，并且能夠通過配置來平衡文本質(zhì)量與水印的可檢測性。
怎么證明文本質(zhì)量不受影響？直接放到自家的 Gemini 和 Gemini Advanced 上實戰(zhàn)。研究人員評估了實時交互的近 2000 萬個響應(yīng)，用戶反饋正常。
SynthID-Text 的實現(xiàn)僅僅修改了采樣程序，不影響 LLM 的訓(xùn)練，同時在推理時的延遲也可以忽略不計。
另外，為了配合 LLM 的實際使用場景，研究者還將水印與推測采樣集成在一起，使之真正應(yīng)用于生產(chǎn)系統(tǒng)。
大模型的指紋
下面跟小編一起來看下 DeepMind 的水印有何獨到之處。
識別 AI 生成的內(nèi)容，目前有三種方法。
第一種方法是在 LLM 生成的時候留個底，這在成本和隱私方面都存在問題；
第二種方法是事后檢測，計算文本的統(tǒng)計特征或者訓(xùn)練 AI 分類器，運行成本很高，且限制在自己的數(shù)據(jù)域內(nèi)；
而第三種就是加水印了，可以在文本生成前（訓(xùn)練階段，數(shù)據(jù)驅(qū)動水印）、生成過程中、和生成后（基于編輯的水印）添加。
數(shù)據(jù)驅(qū)動水印需要使用特定短語觸發(fā)，基于編輯的水印一般是同義詞替換或插入特殊 Unicode 字符。這兩種方法都會在文本中留下明顯的偽影。
SynthID-Text 生成水印
本文的方法則是在生成過程中添加水印。
下圖是標準的 LLM 生成過程：根據(jù)之前的 token 計算當前時刻 token 的概率分布，然后采樣輸出 next token。
在此基礎(chǔ)之上，生成水印方案由三個新加入的組件組成（下圖藍色框）：隨機種子生成器、采樣算法和評分函數(shù)。
隨機種子生成器在每個生成步驟（t）上提供隨機種子 r (t)（基于之前的文本 token 以及水印 key），采樣算法使用 r (t) 從 LLM 生成的分布中采樣下一個 token。
通過這種方式，采樣算法把水印引入了 next token 中（即 r (t) 和 x (t) 的相關(guān)性），在檢測水印的時候，就使用 Scoring 函數(shù)來衡量這種相關(guān)性。
下面給出一個具體的例子：簡單來說就是拿水印 key 和前幾個 token（這里是 4 個），過一個哈希函數(shù)，生成了 m 個向量，向量中的每個值對應(yīng)一個可選的 next token。
然后呢，通過打比賽的方式，從這些 token 中選出一個，也就是 SynthID-Text 使用的 Tournament 采樣算法。
如下圖所示，拿 2^m 個 token 參加 m 輪比賽（這里為 8 個 token3 輪比賽，token 可重復(fù)），
每輪中的 token 根據(jù)當前輪次對應(yīng)的向量兩兩 pk，勝者進入下一輪，如果打平，則隨機選一個勝者。
以下是算法的偽代碼：
水印檢測
根據(jù)上面的賽制，最終勝出的 token 更有可能在所有的隨機水印函數(shù)（g1，g2，...，gm）中取值更高，
所以可以使用下面的 Scoring 函數(shù)來檢測文本：
把所有的 token 扔進所有的水印函數(shù)中，最后計算平均值，則帶水印的文本通常應(yīng)該得分高于無水印的文本。
由此可知，水印檢測是一個程度的問題。影響評分函數(shù)檢測性能的主要因素有兩個。
首先是文本的長度：較長的文本包含更多的水印證據(jù)，可以讓檢測有更多的統(tǒng)計確定性。
第二個因素是 LLM 本身的情況。如果 LLM 輸出分布的熵非常低（意味著對相同的提示幾乎總是返回完全相同的響應(yīng)），那么錦標賽采樣（Tournament）無法選擇在 g 函數(shù)下得分更高的 token。
此時，與其他生成水印的方案類似，對于熵較小的 LLM，水印的效果會較差。
LLM 本身的熵取決于以下幾個因素：
模型（更大或更高級的模型往往更確定，因此熵更低）；
來自人類反饋的強化學(xué)習(xí)會減少熵（也稱為模式崩潰）；
LLM 的提示、溫度和其他解碼設(shè)置（比如 top-k 采樣設(shè)置）。
一般來說，增加比賽的輪數(shù)（m），可以提高方法的檢測性能，并降低 Scoring 函數(shù)的方差。
但是，可檢測性不會隨著層數(shù)的增加而無限增加。比賽的每一層都使用一些可用的熵來嵌入水印，水印強度會隨著層數(shù)的加深而逐漸減弱。本文通過實驗確定 m=30。
文本質(zhì)量
作者為非失真給出了由弱到強的明確定義：
最弱的版本是單 token 非失真，表示水印采樣算法生成的 token 的平均分布等于 LLM 原始輸出的分布；
更強的版本將此定義擴展到一個或多個文本序列，確保平均而言，水印方案生成特定文本或文本序列的概率與原始輸出的分布相同。
當 Tournament 采樣為每場比賽配置恰好兩個參賽者時，就是單 token 非失真的。而如果應(yīng)用重復(fù)的上下文掩碼，則可以使一個或多個序列的方案不失真。
在本文的實驗中，作者將 SynthID-Text 配置為單序列非失真，這樣可以保持文本質(zhì)量并提供良好的可檢測性，同時在一定程度上減少響應(yīng)間的多樣性。
計算可擴展性
生成水印方案的計算成本通常較低，因為文本生成過程僅涉及對采樣層的修改。
對于 Tournament 采樣，在某些情況下，還可以使用矢量化來實現(xiàn)更高效率，在實踐中，SynthID-Text 引起的額外延遲可以忽略不計。
在大規(guī)模產(chǎn)品化系統(tǒng)中，文本生成過程通常比之前描述的簡單循環(huán)更復(fù)雜。
產(chǎn)品化系統(tǒng)通常使用 speculative sampling 來加速大模型的文本生成。
小編曾在將 Llama 訓(xùn)練成 Mamba 的文章中，介紹過大模型的推測解碼過程。
簡單來說就是用原來的大模型蒸餾出一個小模型，小模型跑得快，先生成出一個序列，大模型再對這個序列進行驗證，由于 kv cache 的特性，發(fā)現(xiàn)不符合要求的 token，可以精準回滾。
這樣的做法既保證了輸出的質(zhì)量，又充分利用了顯卡的計算能力，當然主要的目的是為了加速。
所以在實踐中，生成水印的方案需要與推測采樣相結(jié)合，才能真正應(yīng)用于生產(chǎn)系統(tǒng)。
對此，研究人員提出了兩種帶有推測采樣算法的生成水印。
一是高可檢測性水印推測采樣，保留了水印的可檢測性，但可能會降低推測采樣的效率（從而增加整體延遲）。
二是快速水印推測采樣，（當水印是單 token 非失真時）保留了推測采樣的效率，但可能會降低水印的可檢測性。
作者還提出了一個可學(xué)習(xí)的貝葉斯評分函數(shù)，以提高后一種方法的可檢測性。當速度在生產(chǎn)環(huán)境中很重要時，快速帶水印的推測采樣最有用。
上圖表明，在非失真類別中，對于相同長度的文本，非失真 SynthID-Text 提供比 Gumbel 采樣更好的可檢測性。在較低熵的設(shè)置（如較低的溫度）下，SynthID-Text 對 Gumbel 采樣的改進更大。
參考資料：
https://x.com/GoogleDeepMind/status/1849110265645678807
https://www.nature.com/articles/d41586-024-03462-7
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