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蚂蚁联合提出稀疏OPD新思路:只监督0.1%的token就能追平全量!

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智猩猩AI整理

论文作者投稿

在线策略蒸馏(On-Policy Distillation,OPD)里,如果教师只对 1% 的 token 给出指导,学生还能学得和逐 token 全量蒸馏一样好吗?

蚂蚁集团与 MBZUAI 的新研究成果给出的答案是:在多个设置下可以,有时 0.1% 就够了。

该研究关心的核心问题是:在学生自己生成的回答里,教师给出的监督梯度,是否总是可靠?

为此,研究团队提出信息效率比(Information-Efficiency Ratio, IER)——本质上是一个信噪比,用来衡量单次梯度估计中信号相对于采样噪声的强度。


  • 论文标题:1% of Tokens Can Be Enough: On Gradient Estimation in On-Policy Distillation

01

OPD 在教什么,稀疏 OPD 在挑什么

OPD 有点像「学生先答,老师逐字批改」:学生针对题目自己写出一整段推理,教师在每个位置给出它认为下一个 token 应有的分布,学生再通过反向 KL 向教师看齐。

比起只看最终答案对错的奖励,这种逐 token 的反馈密集得多,OPD 也成了训练推理模型时越来越常用的做法。

可推理链动辄几千个 token,让教师在每个位置都出手,既未必划算,也未必必要:一条回答里,到底有多少 token 需要参与训练?稀疏 OPD 就是在回答这个问题,只在一小部分位置上施加监督。常见的挑法有:

  • 看学生的不确定性,挑熵最高的位置(Entropy);

  • 看师生分歧,挑两者分布差得最远的位置;

  • 看位置,只保留回答的前段(Prefix);

  • 综合多种信号打分,如 TIP、TA-OPD 等。

这些挑法各有侧重,关注的都是有用性(usefulness):哪些 token 上的指导更有价值。研究团队要补上的,是与之互补的另一面。

02

症结:只靠一次采样来估梯度

研究团队研究的问题是:这份指导,能多可靠地转化为一次梯度估计?

在某个固定前缀上,反向 KL 的精确梯度要对整个词表求期望;而实际训练中,常见做法是只拿学生实际采样到的那一个 token 来近似它。


图 1:学生生成到「The sky is」,只采样一个 token(blue)来估计梯度;采样梯度(橙)可能明显偏离期望梯度(青)。

这个估计在平均意义上是对的,但单次估计可能会有很大的采样方差。即使是有用的教学信号,用一个采样 token 估计出来,也可能是一次噪声很大的更新。

这就像只掷一次骰子去估平均点数:骰子没问题,可一次的结果说明不了太多。

因此,研究团队主张挑 token 时同时看两个维度:这个位置的监督有用吗?这一次的梯度估得准吗?有用的监督最终也要通过梯度起作用,梯度估不准,效果就可能打折扣。


图 2:选 token 时同时考虑两个维度:已有指标衡量有用性,IER 补充梯度估计的准确性。

03

IER:给单次梯度估计算一个信噪比

为了刻画第二个维度,研究团队从信息几何出发,提出了信息效率比(Information-Efficiency Ratio,IER)。它本质上是一个信噪比:单次梯度估计里,信号相对于采样噪声有多强。

具体来说,研究团队在固定前缀上分析单样本梯度估计器,并引入一个不改变期望的标量基线来降低方差(类似策略梯度里的控制变量)。由于 OPD 优化的是两个分布之间的差异,研究团队没有用欧氏距离,而是用 KL 散度诱导的 Fisher 几何来度量误差,得到了信号与噪声的分解:


其中 ρ(a) = log(pa / qa) 是学生与教师的对数似然比,L(a) = (1-pa) / pa 是「杠杆因子」,b* 是让噪声最小的最优基线。IER 就是最优基线下信号与噪声之比。

IER 越高,单次估计越贴近期望梯度;IER 很低时,教师的指导本身再有价值,这一步更新也可能被采样噪声带偏。

IER 还有一个直观的含义:IER 的倒数,正是最优基线下单样本梯度估计的相对均方误差;在同一前缀下独立采样 n 次取平均,相对均方误差会降为 1/(n·IER)。

需要强调的是:IER 衡量的是梯度「估得准不准」,不是监督「有没有用」。 研究专门指出,IER 高并不代表这个 token 更有用。

落地时,精确计算 IER 需要遍历整个词表,代价太高。研究团队在一个小候选集上近似:学生 logits 的 Top-16、教师 logits 的 Top-16,再加上实际采样的 token。然后把 IER 的排名与已有的有用性分数组合起来:

  • IER-OR:1 − (1 − u)(1 − r),有用或可靠,任一维度得分高都可能入选;

  • IER-AND:u · r,只有有用且可靠的 token 才会得到高分。

整个 rollout batch 的 token 在同一个全局预算下竞争(每条回答至少保留一个 token),只有被选中的位置才计算采样反向 KL。训练目标本身没有变,变的只是在哪些位置使用教师监督。

IER 的分布是极端重尾的。研究观察到:通常不到 0.1% 的 token,IER 超过 1。

IER 小于 1,意味着单次采样估出的梯度,噪声比信号本身还大。换句话说,在研究工作的近似下,绝大多数位置的单次梯度估计都被噪声主导。

折算下来,通常每 1000 个 token 里,还摊不到 1 个信号压过噪声的位置。这也意味着,不加区分地监督所有 token(全量 OPD),未必是最好的做法。

04

实验:千分之一的监督,能做到什么程度

实验覆盖两类任务:

  • 数学推理:两组师生,JustRL-Nemotron-1.5B → OpenMath-Nemotron-1.5B 和 JustRL-Qwen3-4B → Qwen3-1.7B,在 AIME 2025/2026 与 HMMT 2025/2026 上报告 Bayes@32;

  • 医疗推理:把 ClinAlign-4B 蒸馏到 Qwen3-4B,报告 HealthBench 总分与 Hard 分。

对比的有用性选择器包括 Prefix、Entropy、TIP、TA-OPD 和 CA-SoftOR,监督预算设为 10%、1% 和 0.1% 三档。

数学推理:在 JustRL-Qwen3-4B → Qwen3-1.7B 上(thinking-off),0.1% 预算下的TIP+IER-AND 在全部四个数学基准上都超过了全量 OPD:AIME25 19.4 vs. 14.4,AIME26 16.3 vs. 12.5,HMMT25 11.7 vs. 8.7,HMMT26 14.4 vs. 13.4(Bayes@32,%)。

把这一设置下的所有方法放在一起看,差别更加明显:11 种加入 IER 的方法中,有 10 种的四项平均分高于全量 OPD(12.25),其中 TIP+IER-AND 达到 15.45,高出约 3 个百分点。而原有的 5 种有用性选择器、随机选择以及同期工作中的两个选择器,在千分之一的极端预算下,平均分都没有超过全量 OPD。


图 3:JustRL-Qwen3-4B → Qwen3-1.7B,0.1% 监督预算,关闭思考模式。左:各方法在四个数学基准上的平均 Bayes@32,虚线为全量 OPD;右:各基准相对全量 OPD 的提升(百分点)。青色为加入 IER 的方法,灰色为原有选择器,橙色为随机选择与同期工作的选择器。

不过,数学推理上的结果明显依赖师生组合和选择器。在 JustRL-Nemotron-1.5B → OpenMath-Nemotron-1.5B 上,0.1% 和 1% 预算下的稀疏配置大多低于全量 OPD,其中 1% 预算下,TA-OPD+IER-AND 与全量 OPD 表现相当。

医疗推理:0.1% 的预算,大约相当于每条轨迹只监督一个 token:

  • 全量 OPD 的 HealthBench 总分为 45.77;

  • 单用 IER 选 0.1% 的 token,总分 45.25,与全量只差约 0.5 分;

  • TIP+IER-OR 达到 46.08,总分略高于全量 OPD(Hard 分 19.61,全量为 19.77);

  • 只选位置最靠前(Prefix)的 0.1% 时只有 38.30,和蒸馏前的学生(38.23)几乎一样;加上 IER-OR 后提升到 44.98。


图 4:医疗推理完整结果(HealthBench 总分 / Hard),多数组合加入 IER 后分数更高;其中 TA-OPD+IER-AND 在 10% 预算下达到 46.11 / 20.45,与教师(46.37 / 20.24)相当,Hard 分甚至略高。

整体来看,在大多数设置里,加入 IER 能让已有选择器选出更好的 token。但收益取决于选择器和设置,比如以 Entropy 为基础的组合,在数学推理上有时反而会下降。研究团队的解释是:有用性分数和 IER 都只是近似,组合起来并不保证选得更好。

为什么两个维度结合会有用?

研究团队比较了不同选择器选出的 token:除 Prefix 外,它们对全部 token 的排序往往高度相关,但具体到前 10% 被选中的 token,IER 与有用性选择器的重合度可能很低(例如在 Nemotron 这组师生上,IER 与 TIP 的 Jaccard 相似度只有 0.15)。

有用的 token,梯度未必估得准;梯度估得准的 token,也未必有用。两个维度看的是不同的东西,整体趋势又是正相关,正好可以互补。


图 5:不同选择器对全部 token 的排序可以高度相关,选出的前 10% token 却可能重合很少。

不过,训练中的 0.1% 是名义上的监督预算,而不是 0.1% 的算力。

研究工作的实现没有裁剪任何轨迹:回答照样完整生成,每个位置照样要打分、筛选,计算 IER 还会带来一点额外开销。实验的测量显示,在保留 10% token 的设置下,IER 及其组合的单步训练时间比全量 OPD 多 2.2%~2.5%,8 卡聚合峰值显存最多增加 2.17 GiB(0.92%)。

也就是说,监督预算降到 0.1%,计算开销并不会按比例减少。研究工作的价值在另一面:它说明能有效推动学习的监督,可能比想象中稀疏得多。

研究团队也观察到,IER 在回答靠后的位置整体偏低,并提出了一个未来方向:当靠前位置中梯度可靠的 token 已经凑够预算时,提前截断轨迹。一旦做成,后半段的生成和打分都可以省掉。

05

预算更高,表现不一定更好

研究团队在 0.1%、1%、5%、10%、20%、50%、80% 七档预算上做了扫描,三组师生全部覆盖。曲线并不是一路向上:预算加大后,表现有时几乎不再提升,有时还会回落。

当基础选择器较弱(如 Prefix)、预算又极小时,加入 IER 的提升最明显。在数学推理上,1%~5% 的预算配合有用性与 IER,就能在若干设置中追平或超过全量 OPD。在医疗推理上,0.1% 和 1% 的预算即可做到。


图 6:医疗推理中,0.1%–80% 预算下 Prefix(左)与 TIP(右)加/不加 IER-OR 的 HealthBench 总分(上)与 Hard 分(下)。

研究团队给出的解释有两层:一是启发式的有用性分数本身只是近似,可能选错;二是即便 token 有用,它的梯度估计也可能很差,从而误导训练。这两种情况,都可能让多出来的预算收益变小,甚至变成负收益。

06

思考模式开或关,IER 都有帮助

前面 Qwen3 上的实验都是在关闭思考模式下做的。研究团队又打开思考模式,把推理 token 也纳入选择范围,对比了两种模式。

结果显示:开启思考模式后,单用 TIP 可能不如全量 OPD,甚至比蒸馏前的学生还差;而在两种模式下,TIP+IER-AND 在大多数情况下都带来了提升,在 0.1% 和 1% 的预算下收益最大。也有例外:开启思考模式时,HMMT26 上小预算的 TIP+IER-AND 并不占优。


图 7:JustRL-Qwen3-4B → Qwen3-1.7B 上开启(蓝)与关闭(橙)思考模式的对比,虚线为 TIP,实线为 TIP+IER-AND。

07

结语:有用性之外,还要看可靠性

在稀疏 OPD 里,该研究工作给选 token 加上了第二个维度:除了问「它有没有用」,还要问「这一次的梯度估得准不准」。实验表明,把有用性与梯度估计可靠性结合起来,0.1%~1% 的监督预算就能在多个设置下追平甚至超过全量 OPD。研究团队也坦言:收益因选择器和设置而异,有用性分数和 IER 本身都只是近似,没有哪个选择器在所有设置下都最好。

当极少数 token 就能支撑这么多学习时,监督究竟该如何分配?这是研究团队认为接下来很值得研究的开放问题。

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