让LLM“遗忘”特定知识

一.   综述

随着大规模语言模型（Large Language Models, LLMs）的广泛应用，隐私问题日益凸显。这些模型在训练过程中难免会记住并泄露敏感信息，如个人身份信息等。为此，反学习（Unlearning）方法旨在从模型中移除特定的信息或知识，作为针对上述问题的解决方案。

来自以⾊列理⼯学院的Tomer Ashuach等三位作者于不久前发表了一篇名为《REVS: Unlearning Sensitive Information in Language Models via Rank Editing in the Vocabulary Space》的论文[1]。论文中认为，现有的反学习方法主要分为两类：

1、 精确忘记（Exact Unlearning）：通过数据清理或差分隐私（Differential Privacy）等技术，从源头上防止敏感信息进入模型。但这种方法需要频繁地重新训练模型，成本高昂。

2、 机器忘记（Machine Unlearning）：通过在上下文中进行忘记（In-Context Unlearning）或梯度上升（Gradient Ascent）等方法，阻止模型生成敏感信息。这些方法无法确保敏感信息被彻底从模型参数中删除，容易受到信息提取攻击。

在此背景下，论文提出了一种新的模型编辑方法REVS，旨在有效地清除LLMs中的敏感信息，并在此过程中保持模型的整体性能。

二.  REVS方法实现

众所周知，目前用于生成任务的LLMs大多都是因果语言模型（Causal LM）。通常来讲，这些模型输入前N个Token，并预测第N+1个Token的所有可能取值的概率分布（通称logits）。在实际生成过程中，可以直接取预测概率最大的Token作为生成结果，也可以根据Top P、Top N等原则进行随机采样。

而REVS方法的核心优化目标，就是在特定触发条件下，将敏感信息相关Token的预测概率（在logits中从大到小）的排名移动到目标阈值R或更靠后，从而使其难以在生成过程中被选中。并且，论文认为这个过程能够清除与敏感信息相关的知识。

图1：REVS方法的优化目标

REVS方法主要包括以下几个步骤：

2.1

选择触发词

确定一组能够触发模型生成目标敏感信息的输入词汇或短语。这些触发词应当在模型生成目标敏感信息时发挥关键作用。

虽然敏感信息通常包含多个Token，但由于准确提取原始数据需要恢复完整的Token序列，因此没有必要对所有Token都进行反学习。论文中选择反学习每个⽬标序列中最稀有的t个Token。

2.2

建立隐层到logits的双向映射

论文引用了一些此前的研究观点，认为LLM的大部分知识存储位于MLP(Multilayer Perceptron，多层感知机)的第二层[2][3]。通常来讲，它是MLP层的最后一层，是一个前向反馈全连接层，通称FF2。论文中的模型编辑重点修改该层的权重。为此，首先需要明确FF2与logits之间的双向映射关系。

正向映射时，FF2输出值会经过一次层标准化（Layer Normalization）操作，随后经过反嵌入层（通常是整个LLM的最后一层，通称lm_head），即可得到logits。类似的，FF2的权重经过上述映射，会得到logits相对FF2输入值的梯度。

随后，建立上述映射的逆映射。其中标准化操作可以根据样本均值和方差很容易地进行逆运算；lm_head的偏置项只需减掉即可进行逆运算，而权重矩阵则以伪逆矩阵方法进行逆运算。

2.3

选择相关神经元

接下来确定哪些神经元与生成特定敏感信息相关。

在触发词输入模型时，记录模型各层神经元的激活值。通过分析这些激活值，识别出哪些神经元对生成敏感信息影响最大。

随后遍历所有FF2层，根据对生成目标敏感信息的影响程度（贡献度），对神经元（即FF2层权重中的列）进行排名。贡献度的衡量有多种方法，如激活值的大小、梯度的大小等。论文中经过对照实验认为，将“FF2层输出值/权重映射到logits值/梯度后目标Token的从大到小的排名”用作贡献度衡量的最终效果最好。

*如无特殊说明，本文后续所有“排名”的含义均同上述*

图2：排名贡献度的计算，注意此处的neurons选自FF2权重的若干列，而非输出值

2.4

模型编辑

这是整个方案中最为复杂的部分。

在计算模型编辑量时，大致按以下三个步骤进行：

1、 将FF2权重进行映射，得到logits梯度；

2、 对logits梯度进行调整，直至目标Token满足预期的排名阈值；

3、 将修改后的logits梯度进行逆映射，得到预期的FF2权重。

对logits梯度的具体调整采用AdjustRank方法，论文在附录中进行了介绍，或参考项目中的实现如下：

图3：对logits梯度的调整

即：

1、 设定超参数top_rank_margin和bottom_rank_margin，默认值分别为10000和7500。目标是将FF2权重经映射后的目标Token排名调整至两者之间；

2、 从FF2权重中，选中所有目标Token排名小于bottom_rank_margin的列；

3、 设定一个初始偏移量logits_deltas，对于被选中的FF2权重列默认-10，未选中的则为0；

     a) 即，所有被选中的FF2权重都要减小；

4、 对于所有待调整的FF2权重列，重复以下过程：

     a) 如果该列权重经映射后，目标Token的排名小于bottom_rank_margin（即，该列权重导致目标Token排名过于靠前），则将对应偏移量乘以1.3，即随后使得该列权重的减小幅度提高；

    b) 如果该列权重经映射后，目标Token的排名大于top_rank_margin（即，该列权重导致目标Token排名过于靠后），则将对应偏移量乘以0.8，即随后使得该列权重的减小幅度降低；

     c) 直至没有符合条件的FF2权重列，则结束循环。

三.  模型评估

3.1

数据集

论文中主要采用了以下三个数据集：

1、 The Pile中的电子邮件数据集：包含从The Pile中提取的288个包含已记忆电子邮件地址的句子。

2、 合成社会安全号码（SSN）数据集：包含200个带有社会安全号码（SSNs）的句子，涉及就业记录、税务文件、金融、政府记录和医疗记录等主题。其中100个执行反学习，另外100个则保留用以评估模型的特异性（Specificity，下详）。

3、 Wiki 10k数据集：包含从维基百科中提取的10000个句子，这些句子都包含在模型的预训练数据中，用于比较反学习过程前后的困惑度（Perplexity，下详）。

3.2

对照&测试方法

论文在验证过程中采用以下两种方法作为对比：

1、 FT-L约束微调（Constrained fine-tuning FT-L）：对FF2进⾏微调，旨在最⼩化⽣成⽬标Token的概率。此外，“FT-L”方法施加了L∞范数约束来限制对模型知识的整体影响。

2、 大规模记忆编辑（MEMIT/Mass-editing memory in a transformer）：MEMIT方法原本用于编辑FF2矩阵将新知识插⼊语言模型，而论文中修改了优化目标，改为降低（而不是增加）⽣成⽬标Token的概率。

并采用以下提取攻击方法对反学习效果进行测试：

1、 Logit-lens攻击（LLA）：通过将每层的残差隐藏状态投影到logits，选取前top-k和bottom-k的Token作为候选解。

2、 增量攻击（DA）：将连续层之间logit向量中变化最⼤的top-k个Token作为候选解。

3、 扰动攻击（PA）：与LLA类似，但在原始prompts中插入随机字符，以期干扰反学习训练并恢复敏感信息。

3.3

评估指标和结果

随后，论文从以下几个方面验证了REVS方法的有效性：

1、 反学习的有效性：

原论文使用“敏感信息所有目标Token中的最大排名”来衡量遗忘的有效性——这与此前的优化目标完全一致，这令笔者感到有点取巧。但从论文结论看来，至少可以证明优化过程本身是有效的。

2、 模型完整性：

即模型是否能够保持对非敏感信息的输出能力。论文使用特异性（Specificity）和困惑度（Perplexity）两个指标来进行评估。其中：

• 特异性：尝试让编辑后的模型重新生成敏感句子，其中原样输出的Token占比。考虑到敏感句子中的敏感Token占比并不多，这可以衡量反学习敏感句子中的敏感信息时，是否波及了其中的非敏感信息。

• 困惑度：对于因果语言模型而言，困惑度通常指给定测试句子上正确预测全部Token的条件概率的几何平均值的倒数（或取其对数表示）。简而言之，困惑度越低，模型就有越大的概率原样输出测试集。通过测量模型编辑前后在非敏感的、通用数据集上的困惑度，可以评估编辑过程对通用领域能力造成的影响。

结果可见REVS和MEMIT的表现都不错。

图4：论文中针对反学习有效性和模型完整性的验证结果

3、 抗提取攻击

即反学习后的模型抵抗3.2所述提取攻击的能力。从论文结论看来，REVS的抗攻击能力显著优于对照方法：

图5：论文中针对抗提取攻击的验证结果

四.  后记和展望

REVS方法实现了对LLMs中敏感信息的有效清除，其优点在于不仅能高效地删除敏感信息，还能保持模型整体性能，并对信息提取攻击具有强大的抵抗力。然而，REVS方法仍然依赖对敏感信息（甚至具体到Token）的精确标记，而这在实际的LLM维护过程中并不是一件容易的事情。未来的研究或可进一步优化该方法，做到真正的落地实用。

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参考文献

[1] Tomer Ashuach, Martin Tutek, Yonatan Belinkov. REVS: Unlearning Sensitive Information in Language Models via Rank Editing in the Vocabulary Space, 2024[M]. 2024.

[2] Mor Geva, Roei Schuster, Jonathan Berant, et al. Transformer Feed-Forward Layers Are Key-Value Memories, 2021[M]. 2021.

[3] Kevin Meng, David Bau, Alex Andonian, et al. Locating and Editing Factual Associations in GPT, 2023[M]. 2023.

内容编辑：创新研究院 吴复迪
    责任编辑：创新研究院 陈佛忠

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