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摘要：现有的安全保证研究主要集中在培训阶段的协调，以向LLM灌输安全行为。 然而，最近的研究表明这些方法容易受到各种越狱攻击。 同时，推理扩展显著提高了LLM推理能力，但在安全保证方面仍未得到探索。 为了解决这一差距，我们的工作率先进行了推理扩展，以实现针对新兴威胁的稳健有效的LLM安全。 我们发现，尽管传统的推理缩放技术在推理任务中取得了成功，但在安全环境中表现不佳，甚至不如最佳抽样等基本方法。 我们将这种低效率归因于一个新发现的挑战，即探索效率困境，这是由于频繁的流程奖励模型（PRM）评估带来的高计算开销造成的。 为了克服这一困境，我们提出了SAFFRON，这是一种专门为安全保证量身定制的新型推理缩放范式。 我们的方法的核心是引入多分支奖励模型（MRM），这大大减少了所需的奖励模型评估次数。 为了实现这一范式，我们进一步提出：（i）MRM的部分监督训练目标，（ii）保守的探索约束，以防止分布外探索，以及（iii）基于Trie的键值缓存策略，该策略在树搜索期间促进跨序列的缓存共享。 广泛的实验验证了我们的方法的有效性。 此外，我们公开发布了经过训练的多叉奖励模型（Saffron-1）和附带的令牌级安全奖励数据集（Safety4M），以加速未来LLM安全的研究。 我们的代码、模型和数据可在Github。Huggingface链接：Paper page，论文链接：2506.06444。

研究背景和目的

研究背景

随着大型语言模型（LLMs）的快速发展和广泛应用，LLMs在带来巨大便利的同时，也引入了新的安全风险。这些模型可能生成有害、误导性或违反政策的内容，对现实世界的应用造成严重影响。现有的LLM安全保证研究主要集中于训练阶段的协调，通过监督微调、直接偏好优化和基于人类反馈的强化学习等技术，试图将安全行为灌输到LLM中。然而，最近的研究表明，这些方法容易受到各种越狱攻击，即攻击者通过精心设计的输入绕过模型的安全机制，诱导模型生成不安全的内容。

与此同时，推理缩放（inference scaling）作为一种新兴的技术，显著提高了LLM的推理能力。推理缩放通过增加测试时的计算资源，探索和排序多个候选轨迹，从而在复杂推理任务中取得显著效果。然而，在LLM安全保证领域，推理缩放的应用仍然未被充分探索。传统的推理缩放技术在安全任务中的表现不佳，甚至不如简单的采样方法。这主要是由于在安全任务中，频繁的过程奖励模型（PRM）评估带来了巨大的计算开销，导致了探索效率困境（exploration-efficiency dilemma）。

研究目的

本研究旨在填补这一研究空白，探索推理缩放在LLM安全保证中的应用，以应对新兴威胁。具体而言，本研究的目的包括：

1. 分析现有推理缩放技术在安全任务中的局限性：通过系统分析，揭示现有推理缩放技术在安全任务中表现不佳的原因，特别是探索效率困境的问题。
2. 提出一种新的推理缩放范式：针对安全保证的特殊需求，提出一种名为SAFFRON的新型推理缩放范式，旨在提高LLM在安全任务中的鲁棒性和效率。
3. 验证SAFFRON的有效性：通过广泛的实验，验证SAFFRON在应对各种越狱攻击时的有效性，并与现有方法进行比较。
4. 发布相关资源和数据集：公开发布经过训练的多叉奖励模型（Saffron-1）和附带的令牌级安全奖励数据集（Safety4M），以加速未来LLM安全的研究。

研究方法

方法概述

本研究提出了SAFFRON（Safe Multifurcation）这一新型推理缩放范式，旨在解决LLM安全保证中的探索效率困境。SAFFRON的核心在于引入多分支奖励模型（MRM），该模型能够一次性预测所有可能下一个令牌的奖励，从而显著减少奖励模型评估的次数。为了实现这一范式，本研究进一步提出了以下关键组件：

1. 多分支奖励模型（MRM）：不同于传统的PRM，MRM能够同时预测所有可能下一个令牌的奖励，大大减少了计算开销。
2. 部分监督训练目标：针对MRM的训练，提出了一种部分监督训练目标，通过利用训练语料库中的所有前缀和令牌级奖励注释，提高训练效率。
3. 保守探索约束：为了避免分布外探索，提出了一种保守探索约束，通过掩码未见输出，防止生成不安全的令牌。
4. 基于Trie的键值缓存策略：利用Trie数据结构实现键值缓存的共享，减少树搜索过程中的计算冗余。

具体实现

1. 多分支奖励模型（MRM）：
   • 模型设计：MRM是一个仅解码器的Transformer，将当前序列作为输入，预测奖励向量。每个奖励向量元素对应一个可能的下一个令牌的奖励。
   • 训练目标：通过最小化预测奖励与观察到的PRM奖励之间的平方误差来训练MRM，但仅使用训练语料库中的前缀，确保每个令牌在语料库中得到充分利用。
   • 部分监督：避免了对整个奖励向量进行全面监督的需要，通过利用语料库中的所有前缀，最大化每个令牌的利用率。
2. 保守探索约束：
   • 问题：由于MRM训练语料库的覆盖范围有限，可能存在训练数据中未出现的令牌。
   • 解决方案：通过掩码未见输出，防止生成不安全或未见过的令牌，确保探索过程保持在安全范围内。
3. 基于Trie的键值缓存：
   • 缓存策略：使用Trie数据结构实现键值缓存的共享，减少树搜索过程中的计算冗余。Trie自然编码前缀以实现高效的缓存查找和分支，确保在具有共同前缀的序列之间共享键值对。

研究结果

主要实验结果

1. 性能比较：
   • 与现有方法比较：在Ai2Refusals和Harmful HEx-PHI数据集上，SAFFRON-1在各种越狱攻击下均表现出色著的改进，ASR显著降低。与基线方法相比，SAFFRON-1在给定计算资源下实现了更高的安全性和效率。
   • 定量比较：在相同的推理计算预算下，SAFFRON-1在所有评估指标上均优于基线方法，证明了其在复杂推理任务中的有效性。
   • 资源消耗：通过减少奖励模型评估次数，SAFFRON-1实现了更高的计算效率，在保持安全性的的同时降低了计算成本。

详细分析

1. 多分支奖励模型（MRM）的有效性：

   • 准确性：实验表明，MRM在预测观察奖励方面表现出色，与观察到的PRM奖励高度相关。
   • 效率：在更少的计算资源下，SAFFRON-1实现了更高的安全性和效率。

2. Trie-based KV缓存：

   • 时间复杂度：Trie结构显著减少了时间复杂度，尤其是在处理长序列时。
   • 空间效率：通过缓存共享，降低了内存使用。

3. 输出质量保留：在保持安全性的的同时，维持了输出质量。

4. 案例研究：

   • 攻击成功率的比较：SAFFRON-1在所有评估的攻击上均表现出色，显著降低了ASR。
   • 对抗不同攻击：在多种对抗性越狱攻击下保持稳健。

研究局限

尽管SAFFRON在提高LLM安全性和效率方面取得了显著成果，但仍存在一些局限性：

1. 数据集限制：当前研究主要在特定数据集上进行测试，未来需要在更多样化的数据集上验证泛化能力。
2. 模型依赖：MRM的性能高度依赖于预训练的PRM，未来需探索不依赖特定PRM的替代方案。
3. 可解释性：虽然MRM减少了奖励评估次数，但可能增加模型对特定类型攻击的敏感性。

未来研究方向

1. 跨领域应用：
   • 多模态数据集：开发适用于多种任务和领域的数据集，验证模型的泛化能力。
   • 动态奖励模型：探索使用动态奖励模型指导训练，提高模型对复杂场景的适应性。
2. 实时推理能力：
   • 与现有系统的集成：将SAFFRON与现有推理框架结合，提升整体推理性能。

结论

本研究通过提出SAFFRON这一新型推理缩放范式，有效解决了传统推理缩放技术在安全任务中面临的探索效率困境，显著提高了LLM在安全场景下的性能和效率。具体而言，本研究的主要贡献包括：

1. 提出SAFFRON范式：通过引入多分支奖励模型（MRM）和Trie-based缓存策略，实现了高效的安全推理。
2. 创新点：
   • MRM：显著减少奖励评估次数，提高计算效率。
   • 保守探索约束：防止生成不安全或未见过的令牌，提高模型安全性。
   • Trie-based缓存共享：通过Trie结构实现跨序列的缓存共享，减少计算冗余。
3. 实验验证：

   • 数据集：使用Harmful HEx-PHI和Ai2Refusals数据集。

   • 结果：SAFFRON-1在各种攻击场景下均表现优异。

   • 具体案例：

   • 数据集：Harmful HEx-PHI（包含100个危险提示）

   • 评估指标：ASR（攻击成功率）