定位大模型「作弊」神经回路!新研究首次揭示:虚假奖励如何精准激活第18-20层记忆
创始人
2026-01-20 10:00:52
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南科大&阿伯丁大学投稿

量子位 | 公众号 QbitAI

无需真实奖励,哪怕用随机、错误的信号进行训练,大模型准确率也能大幅提升?

此前,学术界已经发现了一个令人困惑的现象:像Qwen2.5这样的模型,即使在RLVR(带验证奖励的强化学习)过程中给予虚假奖励(Spurious Rewards),它在对应测试集上的准确率依然能神奇地大幅提升,并通过一系列实验实锤了模型在“背题”:实际是模型在训练时就存在不同程度的数据泄露。

然而,先前的工作并没有揭示模型在训练前后的深层次变化,背后的微观机制仍是一个黑盒:虚假的奖励信号,究竟是如何精准地影响了模型内部的深层记忆?

对此,来自南方科技大学、阿伯丁大学、穆罕默德·本·扎耶德人工智能大学、华东师范大学的研究团队对这一过程进行了深度拆解。

研究团队发现,虚假的RLVR并不是漫无目的地强化,而是激活了模型内部的记忆捷径(Memorization Shortcuts),唤醒了潜伏在参数深处的隐性记忆。

这项工作不仅定位到了驱动这一行为的关键位置,研究更揭示了一个关键的真相:模型所谓的进步,往往只是在更高效地检索训练集中的污染知识。

核心发现一个反常的信号:困惑度悖论

研究团队首先观察到一个违反直觉的现象:在虚假的RLVR训练过程中,模型对答案的困惑度(Perplexity)持续下降,但对问题提示的困惑度却不降反升。

这意味着什么?正常情况下,如果模型真的在学习推理能力,它应该对整个问答流程都变得更加“自信”。

但实际情况是:模型牺牲了对输入问题的一般语言理解能力,换取了对特定答案的精准记忆。

精准定位:18-20层才是关键的记忆节点

那么,模型内部到底是哪些层在驱动这种记忆检索?

研究团队采用了多种机制解释工具的组合拳:

1. 路径修补(Path Patching):因果归因

通过在不同层之间交换激活值,研究团队发现:当修补第18-20层的MLP时,模型能够恢复对泄露样本的正确回答;而修补第21层之后,这种恢复能力骤然下降。

这说明,L18-L20是决定性的“功能锚点”(Functional Anchor):经过前层残差流的累加,它们注入了检索记忆答案的关键信号。

2. JSD分析:结构变化的热点

通过计算Jensen-Shannon散度(JSD),研究团队量化了每一层对最终输出分布的贡献变化。结果显示:第21-22层的MLP子组件(W_up和W_gate)贡献值达到了顶峰。

但这里有个关键细节:虽然这些层的贡献达到最大,但随后它们出现了分叉。

整体的MLP保持高贡献度,但W_up和W_gate对准确率的因果贡献却开始变小小。这意味着什么?

说明从此刻开始它们可能不是在存储新知识,而是在进行“结构适配”:调整内部表征空间,以便容纳来自锚点层的突发信号。研究团队将这些层命名为“结构适配层”(Structural Adapters)。

3. Logit Lens:答案是如何“浮现”的

通过逐层投影隐藏状态到词表空间,研究团队直接观察到了答案token的“诞生过程”:

  • 在第19层,目标答案首次出现高概率

  • 在第21层,这个概率短暂下降(表征转换)

  • 在第23层,MLP显著注入正确答案,概率激增

更令人惊讶的是:即使在模型最终输出错误答案的失败案例中,第23-25层的MLP仍然试图注入正确答案——只是因为第19层的初始信号太弱,后续层无法扭转输出。

这证实了:MLP确实在持久地存储记忆,而成功检索的关键在于锚点层的信号强度。

动态视角:记忆激活的“分岔点”

为了从连续动力学角度验证发现,研究团队引入了神经微分方程(Neural ODEs),将离散的层级计算建模为连续轨迹演化。

通过计算“分离力”(Separation Force):即泄露样本和正常样本在隐藏状态演化方向上的差异,研究团队动态地确认了:

分离力在第18-20层达到峰值,这正是两类样本的处理轨迹发生物理分岔的位置。

换句话说,模型在这几层做出了关键决策:走推理路径,还是走记忆捷径。

实验验证:从被动观察到主动控制机制干预:研究团队能“操控”记忆吗?

在确认问题后,研究团队进一步追问一个更为根本的问题:是否有办法针对污染路径进行反向干预?

方法:缩放任务相关神经元的keys

  1. 激活值高

  2. 输出与答案token语义重叠的神经元

然后在推理时对它们的激活进行缩放(α参数),结果十分显著:

  1. 在第18层应用放大(α=3.0):泄露样本准确率提升4.4%

  2. 在第18层应用抑制(α=0.2):泄露样本准确率下降3.8%

  3. 在干净数据集上:任何操作都无系统性影响

更细致的单样本分析显示了两种模式:

模式1:剂量依赖调制

  • 在部分记忆样本上,放大使答案token概率平滑上升,抑制则使其下降

  • 呈现明显的“剂量-反应”关系

模式2:二元通路激活

  • 在某些失败案例中,基线和抑制都无法检索答案

  • 但放大操作能从无到有地激活一条休眠的记忆通路

这意味着什么?研究团队不仅理解了机制,还能双向操控它:既能增强也能抑制模型对污染知识的依赖。

跨模型对比:这是Qwen的“特色”

为了证明发现的特异性,研究团队在Qwen3-8B,LLaMA-3.1-8B和OLMo-2-1124-7B上进行了相同实验。

结果非常明确:

1. 部分提示评估:LLaMA和OLMo无法从提示中补全答案,证明没有记忆

2. 困惑度分析:两者在虚假RLVR下全文和答案困惑度都上升,无悖论

3. 路径修补:无显著恢复模式,无锚点层特征

4. JSD分析:所有层单调递增,无峰值-回落模式

这证实了:研究团队发现的Anchor-Adapter电路不是RLVR的通用产物,而是数据污染在特定架构下被激活的特异性标志。

总结:这项研究的深远意义1.重新审视“RLVR的成功”

这项工作为评估RLVR效果提供了新的检测工具:

宏观信号:困惑度悖论可作为记忆激活的红旗

微观信号:Anchor层的激活模式可诊断污染

干预手段:神经元缩放可测试性能来源

如果一个模型的RLVR增益主要来自这些电路,那它的“进步”可能只是幻觉。

2.为数据污染检测打开新思路

传统污染检测依赖统计方法(如n-gram重叠),容易被规避。这项工作表明:

这为“内部污染检测”提供了新范式。

3.可控的去污染方法

通过抑制特定神经元,可以在不重新训练的情况下削弱模型对污染知识的依赖:

  • 保留通用推理能力

  • 选择性降低捷径依赖

虽然简单抑制可能影响效用,但这为开发推理时去污染技术开辟了新路径。

论文标题:

Spurious Rewards Paradox: Mechanistically Understanding How RLVR Activates Memorization Shortcuts in LLMs

论文链接:

https://arxiv.org/abs/2601.11061

GitHub:

https://github.com/idwts/How-RLVR-Activates-Memorization-Shortcuts

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