2026-06-25 更新:本文从原"训练大模型的工程学:从 Chinchilla 到 2026"全面升级——前半段(§1-§4)补齐 Lilian Weng 在 Scaling Laws, Carefully 中梳理的 scaling law 完整科学叙述(前史、Why power law、数据约束、拟合脆弱性),并增加一个交互式 D3 拟合 playground;后半段(§5-§10)保留原文的越界训练、训练基建、Post-training、VLA 工程清单,但每节都加上前半段科学结论在 VLA 场景的具体投影。Lilian 原文是这次升级的主要参考来源——我做的是把她的科学叙述与本博客原有的工程落地视角融合。

DeepMind 2022 年的 Chinchilla 论文 (arXiv:2203.15556),把"训练一个大模型"这件事从匠人工艺变成了可计算的约束优化问题。它给出的结论简洁到可以一句话讲完——给定计算预算 CC,模型参数量 NN 和训练 token 数 DD 应该等比例放大,每翻倍 compute 同时把 NNDD 各翻一倍。

但 Chinchilla 既不是 scaling law 的起点,也不是终点。在它之前,Hestness 2017、Rosenfeld 2020 已经把"loss 在 log-log 上是直线"做成了实证事实;与它同期的 Kaplan 2020 拟出过另一个看似无可争议的指数;它之后的 Pearce 2024 / Besiroglu 2024 又对它的拟合方法做了系统批判。把这些拼起来才能看出 scaling law 究竟是一套什么样的科学。

行业的实际走向更值得玩味:2022 之后的四年里,所有 SOTA 模型都在系统性地偏离 Chinchilla 的字面 prescription——Llama 1 7B 用 1T tokens(Chinchilla optimal 的 7 倍超训)、Llama 3 8B 干到 15T(90 倍超训)、DeepSeek-V3 用 14.8T tokens 训 671B/37B 激活 MoE,又把 FP8 + MLA + aux-loss-free balancing 一锅端进生产栈。每一步偏离都建立在 Chinchilla 给出的数学框架之上,又都没遵守它的字面结论。

本文做三件事:

  • §1-§4:把 scaling law 的科学讲透——前史、Kaplan vs Chinchilla 的方法论拉锯、power law 为什么是 power law、数据受限时该如何重新思考、以及拟合本身的脆弱性(含 D3 playground)。
  • §5-§8:把"行业如何系统性偏离"讲清楚——越界训练的推理摊销逻辑、数据质量革命、4096 卡协同的训练基建、Post-training 从 PPO 到 GRPO 的演化谱系。
  • §9-§10:站在 VLA 场景的 LLaMA-Factory fork 视角,把前面 §1-§8 的每一条结论投影到自己 stack 上能怎么用。

一、前史:scaling law 不是 Kaplan 发明的

把"loss 在 log-log 上是直线"当成 2020 年的发现是普遍误解。这件事在 2017 年就被系统记录过,并且在 Kaplan 之前已经有过完整的二元闭式解推导。

1.1 Hestness 2017:跨任务、跨架构的同族斜率

Hestness et al.(arXiv:1712.00409)在 NMT、language modeling、speech recognition、图像分类四个领域分别扫了一组模型 ×\times 数据规模组合,把 generalization error 画在 log-log 上发现——所有曲线都是斜率约 0.30-0.300.35-0.35 的直线,且斜率几乎不随架构变化:

Hestness 2017 learning curves

左图是 Deep-Speech-2 vs Attention 两种架构在不同 dataset size 下的 minimum validation loss;右图是 DS2 不同模型尺寸下的同类曲线。关键观察:架构变化只平移 intercept,斜率 β0.30\beta \approx -0.30 在所有架构上几乎一致。这意味着 power law 不属于 transformer——它属于"用 SGD 类方法在足够规模的自然数据上做 supervised learning"这件事本身。

Hestness 还提炼了一张概念图,刻画 generalization error 在 dataset size 上的三段式结构:

Three regions of learning curve

  • Small Data Region:数据少到模型只能输出"最常见类",loss 卡在 best-guess 水平不下降;
  • Power-Law Region:log-log 上斜直线,scaling law 真正适用的区段;
  • Irreducible Error Region:到达 Bayes risk 地板(即数据分布本身的熵),再多数据也无效。

这个三段式结构对后面 §1.3 参数化形式里的 EE(irreducible loss)项给出了清晰的物理意义——它就是 Bayes risk 地板。

1.2 Rosenfeld 2020:二元闭式解早 Chinchilla 两年

Rosenfeld et al.(arXiv:1909.12673 / arXiv:2004.10802)把 Hestness 的"单变量 power law"扩展到了二元——同时考虑模型大小 NN 与数据量 DD。他们在 vision(WRT103 / CIFAR-10)和 NMT 上拟出统一形式:

L^(N,D)=ANα+BDβ+E,A,B,α,β,E>0 \hat{L}(N, D) = \frac{A}{N^\alpha} + \frac{B}{D^\beta} + E, \qquad A, B, \alpha, \beta, E > 0

这就是后来 Chinchilla 论文里那个 “Approach 3 parametric fit” 用的同一个公式——早 Chinchilla 两年提出,并且已经在 CIFAR / WRT103 上做过验证。把这个公式的等高线画出来:

Rosenfeld 2020 loss landscape on WRT103 and CIFAR-10

蓝点是真实测得的 (N,D,L)(N, D, L),背景是参数化拟合的曲面——log-log 空间里曲面就是一个平面,截面是直线。这个结构在 vision 和 language 上都成立。

Rosenfeld 的拟合精度也很惊人。他们用小模型 + 小数据训出 A,B,α,β,EA, B, \alpha, \beta, E 后外推到大模型 + 大数据:

Rosenfeld 2020 extrapolation predictions

预测值和实测值的 R² 在多个 setup 上都接近 0.99——同一族公式可以外推 1-2 个数量级。

Chinchilla 的真实贡献不在公式本身,而在两件事:(1) 把这套方法在 LLM 上做到了 1B-10B 级别的扎实验证;(2) 把 Kaplan 2020 错误的指数纠正过来。公式的优先权属于 Rosenfeld,这一点 Lilian Weng 在 Scaling Laws, Carefully 里说得很清楚,但中文圈很多综述都把这归给了 Hoffmann。

1.3 Bahri 2021:神经标度律的理论解释尝试

Bahri et al.(arXiv:2102.06701)开始尝试为"为什么会是 power law"提供理论——他们提出四个 regime 的分类,但每个 regime 给出的 α,β\alpha, \beta 预测都依赖于强假设(流形维度已知、kernel 谱已知等)。Bahri 本身没解决问题,但它打开了"power law 的内在机制是什么"这条研究线——§3 会接着讲。

到这里历史时间线是清楚的:Hestness 2017 给出单变量经验定律 → Rosenfeld 2020 给出二元闭式解 → Bahri 2021 提供理论 framing → Kaplan 2020 / Chinchilla 2022 把它做到 LLM 上做精。

二、Compute-Optimal Scaling:Kaplan vs Chinchilla 的方法论拉锯

2.1 优化问题与 Kaplan 的方法论 bug

Chinchilla 解的是这个问题:

Nopt(C),Dopt(C)=arg minN,D s.t. FLOPs(N,D)=CL(N,D) N_{opt}(C), D_{opt}(C) = \operatorname*{arg\,min}_{N, D \text{ s.t. FLOPs}(N, D) = C} L(N, D)

其中 FLOPs 按经验近似 C6NDC \approx 6ND(§2.6 会推导这个 6 从哪来)。问题的关键不在公式而在数据采集。Kaplan et al.(arXiv:2001.08361)早两年做过同样的事情,结论是参数量和数据量的放缩指数 a=0.73,b=0.27a = 0.73, b = 0.27——也就是 compute 翻 10 倍时,模型放大 5.5 倍、数据只多 1.8 倍。整个 GPT-3 / Gopher / MT-NLG 系列就是按这个比例堆出来的:

Kaplan 2020 test loss vs compute / dataset size / parameters

Kaplan 把这张图当作"训练应该长得更快、数据放缓"的证据——但坐标系本身有方法论问题。Chinchilla 把这个结论推翻了,给出 ab0.50a \approx b \approx 0.50。差异来自一个看似微不足道的实验细节——learning rate schedule。Kaplan 在所有模型上都用了固定的 cosine cycle length(最长 130B tokens),然后从训练过程中取中间点拟合曲线。问题是:cosine schedule 在没走完之前学习率还没降到位,对应的 loss 是 被高估 的。这导致小数据预算下的训练效果被系统性低估,反推出"模型应该长得更快、数据放缓"的错误结论。

Chinchilla 的 Figure A1 是整篇论文最重要的一张图:把同一模型在 cosine cycle 长度等于训练步数(蓝绿)和等于训练步数的 1.5×/2×/5×(橙黄)的几条 loss 曲线放在一起,cycle 越超出训练步数,最终 loss 越差。结论是:任何 scaling law 实验都必须让 cosine length 跟实际 D 对齐。这一条修正——加上把训练点扩展到 16B 参数——把指数从 (0.73, 0.27) 推到了 (~0.5, ~0.5)。

这还不是 Kaplan / Chinchilla 全部差异的解释。§2.5 会展开 Pearce & Song 2024 的系统性 reconciliation——cosine schedule 只是三个因素之一。

2.2 三种独立方法的一致结论

Chinchilla 没有只用一种方法。它做了三套独立实验,每一套都给出近似 a=b=0.5a = b = 0.5 的结论。这种 methodological triangulation 本身就是论文最强的论据。

Approach 1(训练曲线包络):训 70M 到 10B 一族模型,每个 size 跑 4 个不同的 D(cosine 长度跟 D 对齐)。把所有训练曲线画在 (FLOPs, loss) 平面上,取下包络。包络上的每一点告诉你"花 CC FLOPs 最少能达到的 loss 是多少、对应的 (N,D)(N, D) 是什么"。最后拟合得 a=0.50,b=0.50a = 0.50, b = 0.50

Chinchilla Approach 1: training-curve ribbon plot

Approach 2(IsoFLOP profile):把 FLOP 预算固定(如 6×1018,1019,...,3×10216 \times 10^{18}, 10^{19}, ..., 3 \times 10^{21} 九档),每一档扫一组不同 NNDDC/(6N)C/(6N) 决定)。对每档画出 (N, final loss) 的抛物线,取谷底——这就是给定 FLOP 预算下的 optimal NN。九个谷底拟合得 a=0.49,b=0.51a = 0.49, b = 0.51

Chinchilla Approach 2: IsoFLOP parabolas

Approach 3(参数化拟合):假设 loss 可写成(即 §1.2 的 Rosenfeld 形式)

L^(N,D)=E+ANα+BDβ \hat{L}(N, D) = E + \frac{A}{N^\alpha} + \frac{B}{D^\beta}

把所有训练点丢进去 fit。拟合得 E=1.69,A=406.4,B=410.7,α=0.34,β=0.28E = 1.69, A = 406.4, B = 410.7, \alpha = 0.34, \beta = 0.28。带回 argmin\arg\min under FLOPs constraint,得到 a=0.46,b=0.54a = 0.46, b = 0.54

Chinchilla Approach 3: parametric fit

三种方法的预测一致——Gopher 280B 在它的 compute budget 下应该被一个 ~40-70B 的模型替代,多训 4 倍 tokens。Chinchilla 70B 就是这个 prediction 的验证:同样 FLOPs、~1/4 参数、4 倍 token,在 MMLU 上从 60.0% 拉到 67.5%(超过 Steinhardt 2021 调查中 73 个 forecaster 预测的 2023 年 SOTA 中位数 63.4%),在几乎所有下游任务上击败 280B Gopher、175B GPT-3、530B MT-NLG。

三种方法 + Kaplan 的对照图:

Three Chinchilla approaches + Kaplan overlay

蓝/橙/绿三条实线对应三种 Chinchilla 方法,黑色虚线是 Kaplan 的预测。所有主流大模型(Chinchilla / Gopher / GPT-3 / MT-NLG,图中星号)按 Kaplan 路径训练,落在了"严重 under-trained"区域——这就是 Chinchilla 论文最有冲击力的一张视觉证据。

2.3 参数化形式的理论分解

公式 L^=E+A/Nα+B/Dβ\hat{L} = E + A/N^\alpha + B/D^\beta 对应一个经典的 risk decomposition:

L(fˉN,D)L(f)=L(f)E: 数据分布的 Bayes risk+L(fN)L(f)A/Nα: 函数近似误差+L(fˉN,D)L(fN)B/Dβ: 优化未收敛误差 L(\bar{f}_{N,D}) - L(f^\star) = \underbrace{L(f^\star)}_{E:\text{ 数据分布的 Bayes risk}} + \underbrace{L(f_N) - L(f^\star)}_{A/N^\alpha:\text{ 函数近似误差}} + \underbrace{L(\bar{f}_{N,D}) - L(f_N)}_{B/D^\beta:\text{ 优化未收敛误差}}
  • EE 是"natural text 的熵",再大的模型再多的数据也降不到这之下;
  • A/NαA/N^\alpha 是函数近似误差——理想情况下 NN 参数 transformer 比 Bayes classifier 差多少。两层网络的理论 lower bound 是 α=0.5\alpha = 0.5(Siegel & Xu 2020),Chinchilla 拟合得 0.34,远未触底;
  • B/DβB/D^\beta 是 single-epoch stochastic optimization 的次优——只看一遍数据导致的 gap。SGD-class 方法的 lower bound 也是 β=0.5\beta = 0.5(Robbins-Monro 1951),拟合得 0.28,同样远未到极限。

这两个指数都低于理论下界,意味着 未来无论是更好的架构(提高 α\alpha)还是更好的优化器/数据效率(提高 β\beta),都还有很大空间。这是 Chinchilla 留下的最深远的暗示。

2.4 著名的"20 tokens/parameter"

Chinchilla 的 Table 3 列了不同 model size 对应的 compute-optimal DD:67B 模型对应 1.5T tokens,175B 对应 3.7T,280B 对应 5.9T,1T 模型需要 21.2T tokens。换算成 D/N 比例,全部在 20 左右——“20 tokens per parameter” 由此成为业内 shorthand。

但要注意:这个 20 是在 Chinchilla 的训练数据 (MassiveText) + Chinchilla 的优化器 + Chinchilla 的 batch size 下拟合出来的。换数据、换优化器、换硬件,常数会变。20 是 order of magnitude 的指南,不是物理常数。

2.5 Reconciling Kaplan vs Chinchilla:Pearce & Song 2024

§2.1 把 Kaplan / Chinchilla 的分歧归结为"cosine schedule"——这只是 Lilian Weng 在 Scaling Laws, Carefully 里列的三个因素之一。Pearce & Song(arXiv:2406.12907,TMLR 2024)做了一份系统的 reconciliation:

Difference 1: Kaplan 在小模型上做实验。Kaplan 的模型集中在 100K-100M 参数区间,Chinchilla 扩到了 16B。log-log 空间里小尺度的小偏差会在外推时放大。

Difference 2: embedding parameter 在小模型里占比不可忽略。Kaplan 报告的指数是 non-embedding parameter NEN_{\setminus E}non-embedding compute CEC_{\setminus E} 的关系(NECE0.73N^\star_{\setminus E} \propto C^{0.73}_{\setminus E});Chinchilla 报告的是 total parameter NNtotal compute CC 的关系(NC0.50N^\star \propto C^{0.50})。要把两套结果对齐,必须用 CCE+6NEDC \approx C_{\setminus E} + 6N_E D 的关系把 embedding 项填回去——这才是表观差异的主要来源。

Difference 3: cosine schedule——前面已讨论。

Pearce & Song 把这三个因素合并成一个 unified scaling law。在他们的统一框架下,“local power-law exponent” ggC/EC/E(compute 相对 irreducible loss 的比值)连续变化:

Pearce & Song reconcile: local exponent vs C/E

  • C/EC/E 很小(小模型 / 大 irreducible loss):gg 接近 1,模型主导;
  • C/EC/E 很大(大模型 / 大 compute):gg 渐近到 β/(α+β)0.5\beta / (\alpha + \beta) \approx 0.5,即 Chinchilla 的 0.5 等比例;
  • 中间过渡区:gg 出现一个 ~0.7 的"假高峰",这正是 Kaplan 在 100K-100M 区间观察到的"模型应该长得更快"。

换句话说,Kaplan 和 Chinchilla 都没错,只是看到了同一条曲线的不同区段。这是 Lilian Weng 文章里我觉得最值得中文圈复述的一个 framing——它把过去四年关于"Kaplan 是不是错了"的争论钉死了。

2.6 C=6NDC = 6ND 的算子级 derivation

C=6NDC = 6ND 这个 magic number 在 Chinchilla / Kaplan / Hoffmann 几乎所有 scaling law 论文里都被当作 “approximation” 直接用,但它实际上可以从 transformer 的算子级 FLOPs 计数推导出来。Lilian Weng 在文章里整理了一张完整推导表:

FLOPs per token derivation table for a Transformer

逐项拆开:embedding 0\approx 0(lookup)、QKV projection 6nlayerdmodel2/nctx6 n_{\text{layer}} d_{\text{model}}^2 / n_{\text{ctx}}、attention matmul 2nlayerdmodel2 n_{\text{layer}} d_{\text{model}}、attention projection 2nlayerdmodel2/nctx2 n_{\text{layer}} d_{\text{model}}^2 / n_{\text{ctx}}、FFN 12nlayerdmodel2/nctx12 n_{\text{layer}} d_{\text{model}}^2 / n_{\text{ctx}}、de-embedding 0\approx 0。把这些加起来忽略 attention matmul 项(在 dmodelnctxd_{\text{model}} \gg n_{\text{ctx}} 时其他项主导),forward 单 token 的 FLOPs 等于 2Nnon-embed2 N_{\text{non-embed}}。再算上 backward(前向的 2 倍),总和是 6ND6 N D

这个 derivation 的实用意义:当你的模型偏离标准 transformer 假设(例如 MoE、long context、低秩注意力如 MLA),C6NDC \approx 6ND 就不再准确。DeepSeek-V3 671B/37B-activated 的 MoE 让 NactivatedN_{\text{activated}}NtotalN_{\text{total}} 完全脱钩——按 6ND6N D 算就要选 N=NactivatedN = N_{\text{activated}},否则会高估 FLOPs 一个数量级。MLA 在 attention 计算上比标准 MHA 少 2-3 倍 FLOPs,长上下文场景下系数 6 应该改为 4-5。C=6NDC = 6ND 是一个 transformer-vanilla 时代的常数;模型架构演化后,每个新架构都要重新推导自己的 FLOPs 系数。

三、Why power law?——两套理论解释

“loss 在 log-log 上是直线"这件事在 SGD-class 优化器、足够规模数据的设定下是高度普适的。它的内在机制是什么?2020 年至今出现了两套有竞争关系的理论。

3.1 Sharma & Kaplan 2020:低维数据流形的分割理论

Sharma & Kaplan(arXiv:2004.10802)的假设:自然数据(图像、文本)虽然 ambient 维度很高,但实际上分布在一个低维流形上(intrinsic dimension dDambientd \ll D_{\text{ambient}})。模型在 RDambient\mathbb{R}^{D_{\text{ambient}}} 里学到的 piecewise function,等价于在数据流形上做分段近似。当模型有 NN 个有效参数时,它把 dd 维流形分割成 O(N)O(N) 个 cell,每个 cell 的典型线性尺寸约为 N1/dN^{-1/d}。如果近似误差与 cell 尺寸成幂律关系(Lcell-sizeγL \sim \text{cell-size}^\gamma),那么:

LNγ/d L \sim N^{-\gamma/d}

这就是 α=γ/d\alpha = \gamma / d 的物理来源。Chinchilla 的 α=0.34\alpha = 0.34 对应 d6d \approx 6(取 γ2\gamma \approx 2 for smooth function approximation)——一个完全合理的"自然语言流形维度"估计。

把这套理论的 loss 曲线在不同流形维度下画出来:

Sharma & Kaplan: power-law exponent grows with C/E for varying d

不同流形维度 dd 对应不同的 α\alpha流形维度越高,power law 斜率越缓——这跟"自然图像比自然文本流形维度高(颜色、纹理、形状自由度多),所以图像 scaling law 的 α\alpha 比 LM 小"这条经验观察对得上。

这套理论的局限在于:流形维度 dd 是个隐变量,没法直接测;不同 task 的 γ\gamma 也不一定相同。所以它给出"power law 是必然的"这个 形式,但不能预测具体 α\alpha

3.2 Michaud-Brill 2023-2024:量子化技能的频率分布

Michaud et al.(The Quantization Model of Neural Scaling, NeurIPS 2023)与 Brill 2024(arXiv:2412.07942)提出了另一套截然不同的理论:知识和技能是离散学习的——模型一个一个地"解锁"独立的能力(“知道 i-before-e 规则”、“能做两位数加法”、“识别 SQL injection"等),每个技能对应 loss 上的一小段固定下降。这跟 Sharma-Kaplan 的"连续逼近 Bayes risk"是完全不同的描述。

如果假设这些"技能"的使用频率分布是 power law(即 Zipf 律——少数高频技能 + 长尾低频技能),并且模型按"频率从高到低"的顺序解锁它们,那么累积 loss 衰减自然就是 power law:

L(N)Ek>N1/αfkN(α1)/α L(N) - E \approx \sum_{k > N^{1/\alpha}} f_k \sim N^{-(\alpha - 1)/\alpha}

其中 fkf_k 是第 kk 个技能的频率(按 Zipf fkk1f_k \propto k^{-1})。这套理论解释了为什么 LLM 有 emergent capabilities——具体技能的 离散 解锁瞬间在平均 loss 曲线上几乎不可见(被千万个小步骤平均掉),但在 单个能力 上看就是相变。

两套理论目前没有 decisive 的实验能区分谁对——Sharma-Kaplan 更适合解释"为什么是 power law"的整体形态,Michaud-Brill 更适合解释"为什么 LLM 有 emergent abilities”。Lilian Weng 的态度比较中立:“both have limitations and neither is well-established”。

四、数据受限区域的 scaling law

§2-§3 默认 DD 是 unlimited 的(每个 token 只见一次)。这个假设在 2022 还成立——Common Crawl 还没被榨干。Villalobos et al.(arXiv:2211.04325,2022/2024 update)估算高质量英文文本 token 在 2026-2028 之间被耗尽——也就是现在到未来 2 年。一旦进入数据受限区域,scaling law 形态会发生几个具体变化。

4.1 Hernandez 2022:重复数据的 double descent

Hernandez et al.(arXiv:2205.10487)做了一个干净的对照:固定总训练 token 数(100B),但让其中 10% 不再是 fresh data,而是把一小部分原始数据反复重复。结果:

Hernandez 2022 double descent under data repetition

横轴是"被重复部分占的训练 token 比例”。loss 出现明确的 double descent——先升后降。在重复比例适中(~10%)时,loss 比"全 fresh data"更差;到了重复比例极高(~90%)时,loss 反而又好转。第二段的下降被作者解释为"模型实际上学会了 memorize 那一小段数据",不再是"分布近似"。

这个结果对工业训练的启示是:数据混合中如果你打算重复某些子集(高质量、对齐数据等),重复比例要么很低(<5%)要么很高(>50%),中间是 dead zone——这正是后面 §7.5 annealing schedule 选择的微观基础。

4.2 Muennighoff 2023:4 epoch 是 fresh 的等价上限

Muennighoff et al.(arXiv:2305.16264,NeurIPS 2023)把"unique data 不够时怎么办"系统化研究:固定 compute,但同一份数据多 epoch 重复。

Muennighoff 2023 repeated vs unique tokens

他们的核心 finding:

  • 4 epoch 内:重复 token 与 fresh token 几乎等价(loss 差距 < 2%);
  • 4-16 epoch:重复 token 的边际效用 持续衰减 但仍为正;
  • 超过 16 epoch:边际效用归零(loss 不再下降)。

把这个写成可改写的 scaling law,他们提出:

L^(N,UN,RN)=E+ANα+B(UD+UDRD(1eRD/RD))β \hat{L}(N, U_N, R_N) = E + \frac{A}{N^\alpha} + \frac{B}{(U_D + U_D \cdot R_D^\star \cdot (1 - e^{-R_D/R_D^\star}))^\beta}

其中 UDU_D 是 unique tokens,RDR_D 是重复次数,RDR_D^\star 是 effective-repeats 常数(约 15)。物理直觉:随着 RDR_D 增大,等效 unique data 不再线性增长而是指数饱和到 UDRDU_D \cdot R_D^\star

4.3 Lovelace 2026:更细粒度的 cutoff

Lovelace et al.(arXiv:2605.01640,2026)扩展了 Muennighoff——用更小步长扫 (N, U_N) 全空间,给出一张按 tokens/param 比值分段的 cutoff 表

Lovelace 2026 overfitting coefficient ablation

可操作版结论(按 tokens/param 比值 D/ND/N 分档):

D/ND/N 比值安全重复 epoch 数
< 25≤ 5 epoch
25 – 100≤ 2–3 epoch
> 100≤ 1 epoch(不再 benefit)

这比 Muennighoff 的单一阈值 4-epoch 细,对实际部署决策更有用——一个 70B 模型在 700B tokens 上(D/N=10D/N = 10)可以安全重复 5 个 epoch,相当于 3.5T 等效 unique tokens;同一份 700B 数据在 7B 模型上(D/N=100D/N = 100)则只能 1 epoch。

五、拟合的脆弱性 —— 一个 fitting playground

§2.5 提到 Pearce & Song 2024 reconcile 了 Kaplan vs Chinchilla。但还有一个更深的方法论问题被 Besiroglu et al.(arXiv:2404.10102)揭出:即使是 Chinchilla 论文自己的三种方法之间,结果也并不完全一致

Besiroglu 从 Hoffmann 2022 论文的 Figure 4 反向抽取了原始 (N,D,L)(N, D, L) 数据点,用 L-BFGS-B 重做 Method 3 的 parametric fit。他们的发现:

  • Hoffmann 报告的 Method 3 系数 a=0.46,b=0.54a = 0.46, b = 0.54,与 Method 1/2 的 a=b0.5a = b \approx 0.5 系统性偏离;
  • 偏离原因是 L-BFGS-B 优化器对 Huber-loss averaging 的高 loss scale 不收敛,最终落在一个虚假的 saddle point;
  • 把 loss averaging 改为 sum、改用更小的 Huber threshold 之后,Method 3 也回到 a=0.51,b=0.49a = 0.51, b = 0.49,与另两种方法完美一致。

Chinchilla 论文的核心结论在数学上没错,但论文实际汇报的 Method 3 数字是一个数值优化 bug 的产物

这件事真正重要的不在 Chinchilla 拟错了。它说明了一个更普遍的现象:scaling law 拟合对很多"看似无关"的工程细节高度敏感——loss 精度、噪声幅度、训练点的覆盖范围、优化器选择,每一个都可能让外推预测在数量级上飘走。下面是一个我做的交互式 playground,让你直观感受这种脆弱性。

Scaling law 拟合脆弱性 playground — 拖动滑块观察拟合参数和外推误差如何变化
Loading visualization...
Ground truth 取自 Besiroglu 2024 的估计 α=0.3478, E=1.8172,沿 Chinchilla optimal 路径 D=20·N。左 panel: 训练点(红色被采用、灰色 held-out)+ ground truth(黄)+ fitted curve(青虚线)。右 panel: 外推预测,橙色竖线是当前外推目标 N。下方实时显示 fitted α、E、相对外推误差。

值得做几个实验:

  1. 把"loss 小数位"从 4 调到 2:拟合参数会显著漂——loss 精度低意味着小尺度信号被截断,残留的几个点能拟合的只是粗略斜率。
  2. 把"噪声幅度"从 0.5‰ 拉到 5‰:训练点本身没变多少,但拟合的 α\alpha 会出现 0.01-0.05 的飘移,外推到 N=1015N = 10^{15} 时 relative error 可能从 0.5% 跳到 5%+。
  3. 切换"拟合区间"到"只用 N<10⁹":用一小段窄区间拟合再外推 6 个数量级——典型的小模型拟 scaling law 然后外推到 frontier 场景。α\alpha 估计偏差几乎不可避免。
  4. 极端组合:loss 小数位=2,噪声=3‰,区间=small——此时拟合的 α\alpha 与真值可以差 0.05+,外推 10 倍误差是常态。

这个 playground 复现的是 Besiroglu 2024 的核心 message:拟合 scaling law 只在拟合点附近能 trust;越外推越不可靠,且对工程细节高度敏感。Lilian Weng 在她的文章里也做了一个类似 widget(可惜是 ChatGPT 生成的,没用配色和双 panel 的诊断布局)——这个改写版用 Besiroglu 的实证 ground truth 把效应做得更直接。

工业上对这种脆弱性的实际防御:报 scaling law 时附带 confidence interval(Hoffmann 2022 原文没有,Besiroglu 复刻补上了);外推系数对应的 compute 不要超过拟合数据 compute 的 100 倍;多种拟合方法相互 cross-check(这正是 Chinchilla 用三种 approach 的原因,也正是 Method 3 数值 bug 被发现的方式)。

六、越界训练:从 Compute-Optimal 到 Inference-Optimal

Chinchilla 论文发表后 11 个月,Meta 出 Llama 1。Llama 1 7B 用 1T tokens 训练——是 7B 模型 Chinchilla optimal (~140B tokens) 的 7 倍。Llama 2 把 7B/13B/70B 全部训到 2T tokens。Llama 3 8B 训 15T tokens(~1875 tokens/param,90 倍 Chinchilla optimal),405B 训 15.6T tokens(~38 tokens/param,接近 Chinchilla optimal 但稍多)。

为什么所有人都在 系统性地 偏离 Chinchilla?

2.1 训练成本一次性,推理成本无限次

Chinchilla 优化的是"训练 FLOPs 最小化"。但真实部署里,一个 base model 训完后要服务无数次推理。总成本是:

Total Cost=Ctrain(N,D)一次性+λNTinference随调用次数线性增长 \text{Total Cost} = \underbrace{C_{\text{train}}(N, D)}_{\text{一次性}} + \underbrace{\lambda \cdot N \cdot T_{\text{inference}}}_{\text{随调用次数线性增长}}

其中 TinferenceT_{\text{inference}} 是预期总推理 token 数,λ\lambda 把 inference FLOPs 折算到训练 FLOPs 的相对单价。当 λTinferenceCtrain\lambda \cdot T_{\text{inference}} \gg C_{\text{train}} 时(任何拿来产品化的 base model 都会落在这一档),优化目标从"min loss s.t. fixed train FLOPs"变成"达到目标 loss 的同时最小化推理参数量"。

Sardana et al. (arXiv:2401.00448, “Beyond Chinchilla-Optimal”) 给出了具体推导:在 Chinchilla 的 L^(N,D)\hat{L}(N, D) 形式下,引入推理成本后,optimal 解会向"更小 NN、更大 DD“偏移。给定推理量 TinferenceT_{\text{inference}} 越大,optimal NN 越小、optimal DD 越大。

直觉很好理解——多花 10× 训练 FLOPs 把 8B 模型训到比 70B 还强,节约的 每次 推理成本会在百万次调用后回本。Llama 3 系列、Mistral 7B 系列、Qwen 2.5 / 3 系列的"过度训练"全部基于这个推理摊销逻辑。

2.2 Llama 3 的工程结论

Llama 3 (arXiv:2407.21783) 是这套思路最系统的工程化。它把"重新做 scaling law"作为论文的一部分,结论是:

  1. Chinchilla optimal 是 训练 FLOPs 最优的上界,不是 实用部署最优
  2. 对要部署的模型,应该训到 loss 曲线明显进入平台期 而非 Chinchilla optimal;
  3. 数据 mix 不是匀质的,整个训练过程分为 (a) bulk pre-training 用 web 为主, (b) annealing phase 把 math/code/edu 占比拉高, (c) long context extension 把 context length 从 8K 推到 128K。

8B 模型训 15T tokens 不是任性,是因为 Llama 3 测出来 8B 在 15T 仍未收敛(loss 还在降)。基础设施侧:405B 模型用 16K H100,3D parallelism 配置 TP=8 / CP=8 / PP=16 / DP=16(4D 实际上,加了 context parallel),MFU 在 bf16 下 38%-43% 区间。

七、数据:从 token 数到 token 质

Chinchilla 隐含了一个假设——所有 token 等价。这个假设在 2022 还成立(大家都用 Common Crawl + 类似规模的 curated 数据集),但 2023 之后被一系列数据工程实验彻底推翻。

3.1 Pile → RefinedWeb:web alone is enough

The Pile (Eleuther 2020, arXiv:2101.00027) 是早期的"多源拼接"思路——Common Crawl + ArXiv + GitHub + Books + Wikipedia + … 共 22 个 subset。这个思路被 Falcon 团队的 RefinedWeb (arXiv:2306.01116) 挑战:他们证明只用 Common Crawl + 严格过滤/去重,能训出超过 Pile 多源混合的模型。核心动作是 MinHash 去重 + URL 黑名单 + 启发式质量规则。

RefinedWeb 的隐含命题是——多样性是 token 选择策略的副产品,不是 source 拼接的副产品。Common Crawl 已经隐含了人类所有写过的网页,关键是怎么挑。

3.2 FineWeb / FineWeb-Edu:质量分类器登场

HuggingFace FineWeb (2024) 把这个思路推到极致——15T tokens 全部来自 Common Crawl,过滤栈包括 Gopher quality filter、URL 启发式、line-level filter、MinHash dedup。但真正的 game changer 是 FineWeb-Edu:用 Llama-3-70B 给每个 sample 打"教育价值"分(0-5),保留 3\geq 3 的,最后得到 1.3T tokens 的高质子集。

ablation 数字非常震撼——同一架构 1.5T FineWeb-Edu 训出来的模型,能匹敌 5.4T 普通 FineWeb 训出来的模型。3.6× 数据质量杠杆,直接颠覆了 Chinchilla 隐含的"token 数等于训练价值"假设。

3.3 DCLM:把数据当 model search 一样系统化

DCLM (DataComp-LM, arXiv:2406.11794) 把数据过滤变成一个公开 benchmark——240T 候选 token pool,固定 model 架构和 compute budget,参赛者只能改数据过滤策略。这种"控住其他变量只看数据"的设计反向证明了哪些过滤是真的有用。

结论之一:fastText 二分类器(distilled from 强模型生成的正负样本)作为质量过滤器,比所有 perplexity-based / heuristic-based 方法都好。这等于说"用大模型蒸馏出来的判别器” > “人工启发式规则”,整个数据工程被改写成 self-distillation 范式。

7.4 数据墙

Villalobos et al. (arXiv:2211.04325, 2022 + 2024 update) 估算高质量英文文本 token 在 2026-2028 之间被耗尽——也就是从现在开始算 0-24 个月。三种应对路径:

  1. 多模态扩展——图像、视频、音频 token 化进 transformer,VLA 也属于这个方向;
  2. 合成数据——用强模型 self-play 或者 distill 生成新数据;
  3. Multi-epoch——推翻 Chinchilla 隐含的 < 1 epoch 假设。具体 cutoff 已经在 §4.2-§4.3 给出(Muennighoff 4-epoch 等价、Lovelace 按 D/ND/N 分档),这里不再重复。

7.5 Annealing:多阶段训练

DeepSeek-V3 (arXiv:2412.19437) 14.8T tokens 的训练分明确的阶段:前期 bulk web、后期把 math/code 占比拉高、最后做 long-context extension。这种"训练过程中改数据 mix"跟 Chinchilla 的"匀速训练 + 单调 cosine 衰减"假设直接冲突——也正是 WSD scheduler 出现的根本原因(见 §8.5)。

重要边界:§4.1 Hernandez 的 double descent 结果对 annealing 数据混合给了一条具体约束——同一份数据的重复比例要么 < 5%、要么 > 50%,中间是 dead zone。DeepSeek-V3 后期把高质 math/code 占比拉到 30% 以上,本质上就是"超过 dead zone 进入 memorize 区"。

八、让 4096 卡协同工作:训练基建

Chinchilla 只回答了 (N,D)(N, D) 该多大。它没回答"在 16K 张 H100 上训 405B 怎么不炸"。这部分基建工程在 Chinchilla 之外独立演进,2026 年的 SOTA 训练栈包含这些组件。

4.1 4D + 并行的切分逻辑

flowchart TB
    subgraph Cluster["训练集群(如 16K GPUs)"]
        subgraph DP["DP × 16
数据并行
每路看不同 batch"] subgraph PP["PP × 16
流水线并行
按 layer 切"] subgraph TP["TP × 8
张量并行
把 W 矩阵切片"] subgraph CP["CP × 8
上下文并行
沿 seq 维切 attention"] GPU[单 GPU] end end end end end note1["DP × PP × TP × CP = 总 GPU 数
每多一维并行 → 多一组通信开销"]

DP (data parallel):每个 replica 持有完整模型,看不同 batch 数据,反向传播后 all-reduce 梯度。简单粗暴,通信代价跟模型大小成正比。

TP (tensor parallel, Megatron):把 WW 矩阵按列或行切到多卡。前向时每个 GPU 算一片,输出 all-gather;反向类似。通信发生在每一层,吃带宽,所以 TP 几乎只在单节点 NVLink 域内使用(典型 TP=8)。

PP (pipeline parallel):按 layer 切,第 1-10 层在 GPU 0,11-20 层在 GPU 1 …。micro-batch 在流水线上前推后传。bubble 问题严重,1F1B / interleaved schedule 把 bubble 压到 ~10-20%。

EP (expert parallel):MoE 专用——不同 expert 放不同 GPU,token 按 router 决定去哪。本质是 all-to-all 通信。DeepSeek-V3 用 EP=64 跨 8 节点。

SP (sequence parallel):把 sequence 维度切到多 GPU,省 activation 显存(attention/norm 的 input/output 在 seq 维 sharded)。Megatron 论文里跟 TP 配对出现。

CP (context parallel, Ring Attention):长上下文专用。把 KV 沿 seq 维切,attention 计算时在 ring 上轮转 KV block。Llama 3 训 128K context 时启用 CP=8。

ZeRO 1/2/3 (arXiv:1910.02054) 是 DP 的优化变体:

  • ZeRO-1 切 optimizer states(Adam 的 m, v);
  • ZeRO-2 在此基础上切 gradient;
  • ZeRO-3 把 parameter 也切了——前向时按需 all-gather,反向后释放。

ZeRO-3 与 FSDP (PyTorch 原生实现) 等价。DeepSpeed 与 FSDP 是当前主流 DP shard 实现。

4.2 MFU:训练效率的体温计

MFU (Model FLOPs Utilization) = (实际达到的训练 FLOPs/s) / (硬件理论峰值 FLOPs/s)。这个指标揭示一切——通信 overhead、pipeline bubble、recompute、kernel 不优,全部反映在 MFU 上。

系统典型 MFU
PaLM 540B (TPUv4, bf16)~46%
GPT-3 175B (A100, fp16)~30-40%
Llama 3 405B (H100, bf16)~38-43%
DeepSeek-V3 671B (H800, FP8)~30-40%(MoE 通信代价大)

把 MFU 从 30% 拉到 45% 是工程的核心战场。手段无外乎:更好的 kernel fusion (FlashAttention 1/2/3)、更精细的 overlap(compute 跟通信 overlap)、更优的 schedule(DeepSeek 的 DualPipe)、更激进的 recompute 策略(trade 显存换 compute)。

4.3 FP8 训练

bf16 + fp32 master weight 是 2020-2023 的标配——forward / backward 在 bf16,optimizer 维护 fp32 拷贝以保持 numerical stability。FP8 把训练精度再砍一半,单卡吞吐翻倍、显存减半,但稳定性挑战巨大——FP8 只有 4 bits exponent + 3 bits mantissa(E4M3)或 5+2(E5M2),动态范围极窄。

DeepSeek-V3 是 FP8 训练首个公开的大规模工业实现。关键 trick 是 fine-grained quantization

  • Activation:per-token + per-128-channel 一个 scaling factor;
  • Weight:per-128×128 block 一个 scaling factor;
  • 累加在 CUDA core 上做(不是 tensor core),保持高精度。

这种分块量化让 FP8 在 671B/14.8T 训练上跑通,且 loss 曲线跟 BF16 baseline 几乎重合。

4.4 μP:超参在宽度上 transfer

Tensor Programs V (Yang et al., arXiv:2203.03466) 提出 μP (Maximal Update Parameterization)。常规参数化下,给一个模型扫出最优 lr 后换更宽的模型,原 lr 不再 optimal——你必须在大模型上重新扫超参,但大模型扫一次超参的成本可能就是几百万。

μP 的核心做法是给每层的 init scale 和 lr scale 配上特定的 width-dependent 因子,让"infinite-width limit"下 forward/backward 的 magnitude 不随 width 变。结果是——在小模型上扫好的超参,可以直接搬到大模型上用。GPT-4 训练前的超参扫描据传基于 μP,DeepSeek-V3 论文也明确提到使用 μP-style 超参 transfer。

4.5 WSD 替代 Cosine

Cosine schedule 的根本约束是:必须事先定 total steps,schedule 一旦开始无法延长。如果训练中途想多训 100B tokens,要么把 cosine 重启(lr 跳变破坏稳定性),要么忍受 lr 已经降到 minimum 训不动。这跟数据 annealing、多阶段训练的需求完全冲突。

WSD (Warmup-Stable-Decay) scheduler 是 MiniCPM (arXiv:2404.06395) 提出的替代方案:

  • Warmup phase:lr 从 0 升到 peak,少量步数;
  • Stable phase:lr 在 peak 保持不变,任意长
  • Decay phase:训练即将结束时 lr 衰减到 ~10% peak(线性或 cosine 都行)。

关键性质——stable phase 可以无限延长。想多训 100B tokens?继续 stable。想 release 一个 checkpoint?切到 decay。MiniCPM 实证 WSD 在 final loss 上不逊于 cosine,但灵活性碾压。Llama 3 / DeepSeek-V3 / Qwen 系列都在用类似策略。

4.6 稳定性:loss spike 与防爆装备

训大模型最痛的不是收敛慢,是 loss spike——某一步 loss 从 2.3 跳到 10+,gradient 爆炸,模型崩。PaLM 论文记录过:在 540B 训练中遇到 spike 时回滚到 spike 前 100 步的 checkpoint,跳过那段数据继续训。这种"诊断 - 回滚 - 跳过"成为大模型训练的标准 SOP。

防御性装备:

  • QK norm:在 attention 计算 QKTQK^T 前对 Q 和 K 单独 LayerNorm(Llama 3 用),防 attention logits 数值爆炸;
  • z-loss:约束 output logits 的 log-sum-exp 不漂(防 softmax 数值不稳);
  • gradient clipping:全局 grad norm 卡 1.0;
  • 更小的 init:用 Megatron 推荐的 σ=0.02/2L\sigma = 0.02 / \sqrt{2L}(L 是层数);
  • bf16 全程:fp16 的 dynamic range 不够,几乎所有现代训练都换成 bf16。

九、Post-training 演化谱系

Pre-training 出来的是一个能续写 web 文本的 base model,远不是对话助手或者推理引擎。Post-training 这一层从 InstructGPT 出现以来快速演化,谱系大致是:

flowchart LR
    Base["Pre-trained
Base Model"] --> SFT["SFT
(InstructGPT 2022)"] SFT --> RLHF_PPO["RLHF-PPO
+ reward model
+ value head"] SFT --> DPO["DPO (2023)
去掉 reward model"] DPO --> DPOfamily["IPO / ORPO / SimPO / BCO
preference learning 家族"] RLHF_PPO --> GRPO["GRPO (DeepSeek-Math 2024)
去掉 value head"] GRPO --> R1["R1 (2025)
verifiable rewards
+ cold-start CoT"] style Base fill:#1e293b,stroke:#64748b,color:#f1f5f9 style R1 fill:#1e293b,stroke:#fde047,color:#fde047

5.1 SFT:让模型学"对话"格式

最直白的一步——找 10k-100k 高质量 instruction + response 对,用 next-token loss 训。损失只对 response 部分计算(mask 掉 prompt 部分的 loss)。SFT 的本质是让模型学 对话格式常见任务的标准回答模式,并不增加模型的知识或推理能力。

5.2 RLHF with PPO:经典三件套

InstructGPT (arXiv:2203.02155) 的流程:

  1. SFT 模型作为起点 πref\pi_{\text{ref}}
  2. 用人类标注的 pairwise preference 训一个 reward model rϕr_\phi
  3. 用 PPO 优化策略 πθ\pi_\theta,目标是
maxθExD,yπθ[rϕ(x,y)]βKL(πθπref) \max_\theta \mathbb{E}_{x \sim D, y \sim \pi_\theta}[r_\phi(x, y)] - \beta \cdot \text{KL}(\pi_\theta \| \pi_{\text{ref}})

KL penalty 阻止模型为了 maxim reward 而漂离 ref 太远。PPO 实现里要再训一个 value head 估计每个 token 的预期 return,做 advantage estimation。

缺点很明显:四个模型同时挂在显存里(policy / ref / reward / value),训练不稳,对 reward hacking 高度敏感。

5.3 DPO:把 RL 化简为分类

DPO (arXiv:2305.18290) 的关键洞察来自 KL-regularized RL 的 closed-form 最优解:

π(yx)=1Z(x)πref(yx)exp(1βr(x,y)) \pi^\star(y | x) = \frac{1}{Z(x)} \pi_{\text{ref}}(y | x) \exp\left(\frac{1}{\beta} r(x, y)\right)

反向解出 r(x,y)=βlogπ(yx)πref(yx)+βlogZ(x)r(x, y) = \beta \log \frac{\pi^\star(y|x)}{\pi_{\text{ref}}(y|x)} + \beta \log Z(x)。这意味着——reward 跟 log(π/πref)\log(\pi / \pi_{\text{ref}}) 是一一对应的,根本不需要单独训 reward model。直接把 preference 数据上的 Bradley-Terry log-likelihood 写成:

LDPO(θ)=E(x,yw,yl)D[logσ(βlogπθ(ywx)πref(ywx)βlogπθ(ylx)πref(ylx))] \mathcal{L}_{\text{DPO}}(\theta) = -\mathbb{E}_{(x, y_w, y_l) \sim D}\left[\log \sigma\left(\beta \log \frac{\pi_\theta(y_w | x)}{\pi_{\text{ref}}(y_w | x)} - \beta \log \frac{\pi_\theta(y_l | x)}{\pi_{\text{ref}}(y_l | x)}\right)\right]

四件套缩成两件——只要 policy 和 ref。训练像分类一样简单,loss 一阶可导,不要 sampling。

DPO 之后出现了一整个 preference learning 家族:

  • IPO (Identity Preference Optimization):用 squared loss 替代 sigmoid,避免 chosen reward 无界增长;
  • ORPO (Odds Ratio PO):把 SFT 和 preference 合并到一个 loss,省一个 stage;
  • SimPO:发现 reference model 其实可去——直接对 chosen/rejected 的 length-normalized log-prob 做 margin loss;
  • BCO (Binary Classification Optimization):preference 转成 binary 标签(“这个回答好吗 0/1”)。

每个变种都在 简化绕过 经典 PPO 的某个痛点。

5.4 GRPO:把 PPO 的 value head 也去掉

DeepSeek-Math (arXiv:2402.03300) 提出 GRPO (Group Relative Policy Optimization)。思路:对每个 prompt sample GG 个 response,组内归一化 reward 当作 advantage——不需要 value head:

Ai=rimean(r1,...,rG)std(r1,...,rG) A_i = \frac{r_i - \text{mean}(r_1, ..., r_G)}{\text{std}(r_1, ..., r_G)}

其余按 PPO 框架走(importance ratio + clip + KL penalty)。少了 value head 直接省一半显存和一半模型,对大模型 RL 友好。GRPO 后来被 DeepSeek-R1 用纯 + 规则 reward 推到极致。

5.5 R1 / RL with Verifiable Rewards

DeepSeek-R1 (arXiv:2501.12948, 2025-01) 的关键创新是 verifiable rewards:math 题答案对错可判(match 数字)、code 题 unit test 跑通可判(return code)。这种规则可判的 reward 完全消除了 reward model 带来的 reward hacking——你 hack 不了"答案是否正确"。

整个 pipeline 是:

  1. R1-Zero:直接对 base model 做纯 GRPO + verifiable rewards,没有 SFT。涌现出"reflection" / “wait, let me reconsider” 等长 CoT 行为,但可读性差;
  2. R1:先用少量 long-CoT cold-start SFT 把可读性带起来,再 GRPO;
  3. Distill:用 R1 生成的 CoT 数据 SFT 小模型(7B/14B/70B),把 reasoning 能力蒸馏到小尺寸。

R1 的更深刻含义是——对于推理类任务,post-training 的 RL 杠杆已经超过 pre-training 的 token 杠杆。同一 base model 加上一轮规则可验证 reward 的 RL,能在 MATH/AIME/MMLU-STEM 上拉出十几个点。这是 Chinchilla 完全没预测到的——它假设 loss 跟下游能力线性,但 reasoning 的 emergence 不在那条曲线上。

十、专家段:VLA 训练栈与 §1-§5 科学结论的对接

VLA finetuning 是一个独特的场景——它既继承 LLM 训练栈的所有工程组件(§6-§9),又因为多模态输入 + 异构 loss 结构(next-token + flow matching + action regression)让 §1-§5 的科学结论需要重新解读。本节分两层:10.1 把 §1-§5 每条科学结论投影到 VLA;10.2 把 §6-§9 的工程版图映射到 VLA 实操。参考点是 Qwen-VLA 公开 paper(arXiv:2605.30280)的训练 recipe (T2A → CPT → SFT → RL) 与 公开 LLaMA-Factory 主线

10.1 §1-§5 科学结论在 VLA 上的投影

§1 前史:Hestness 2017 的"斜率约 −0.30 跨架构稳定"在 VLA 上不直接成立——VLA 的复合 loss(next-token + flow matching + action L2)让单一 power law 拟合本身就是个错误问题。这条结论应反过来用:VLA 团队 publish 自己的 scaling law 时,应该按 sub-loss 分别拟合而非合并平均。Qwen-VLA paper 的 T2A 阶段(纯 action loss)和 SFT 阶段(混合 loss)的训练曲线斜率不同——这本来就该是两条独立的 scaling line。

§2.5 Pearce & Song reconcile:VLA 模型集中在 100M-5B 参数区间,正好落在 Lilian 文章中那条"local exponent gg 出现 ~0.7 虚假高峰"的 transition 区段。这意味着——当前所有 VLA 团队 publish 的 scaling law 数字大概率不可信,外推到更大模型时跟实测有显著 gap。任何团队都不应该用现有 VLA scaling fit 决策"是不是该训 50B 模型"——会落进 Kaplan 同款的陷阱。

§2.6 C=6NDC = 6ND 不再适用:VLA 不是 vanilla transformer——VLM frozen + DiT trainable + action head + vision tower 各自的 FLOPs 比例完全不同。正确做法:分模块算 FLOPs/token,frozen 部分只算 forward(2N),trainable 部分算 forward+backward(6N),多 token 类型(image token / text token / action chunk)各自的 sequence length 单独乘。这才是 VLA 训练 cost 的真实公式。

§3 Why power law:VLA 的"emergent capabilities"(pick-and-place → insertion → bimanual coordination → tool use)更符合 §3.2 Michaud-Brill 的 quantization 理论而非 Sharma-Kaplan 流形理论——能力是离散解锁的。这对 evaluation 的影响很大:用 mean success rate 评 VLA 会把 emergent 信号平均掉,应该按任务难度档位分别报告 success rate(与 R1 在 reasoning 上的 ladder evaluation 同构)。

§4.2-§4.3 Lovelace 重复 cutoff:VLA 数据天然稀缺(高质量真机轨迹收集成本极高),D/ND/N 比值经常 < 25——按 Lovelace 2026 的细化 cutoff,安全可重复 5 个 epoch。这给"VLA 训练应该跑几个 epoch"一个 grounded 的答案——按 D/ND/N 算而非经验拍 1-3 epoch。例如一个 5B VLA 训 50M action chunks(D/N=10D/N = 10),可以放心 5 epoch;同一份数据训 1B 模型(D/N=50D/N = 50)只能 2-3 epoch。

§4.1 Hernandez double descent:VLA 数据混合策略要小心 dead zone——同一份高质量真机演示(如 hard task)的重复比例要么 < 5%、要么 > 50%,10-40% 区间反而会让 loss 比"全 fresh"更差。这条直接约束了 RLHF / DPO 阶段 mining hard examples 的混入比例。

§5 拟合脆弱性:VLA 团队 publish 的 (model size, training steps, success rate) 数据点通常只有 3-5 个,比 Chinchilla 用的几十个还少。按 §5 的 playground 直觉——3-5 点 fit 出来的 scaling 系数误差能达到 0.1+,外推 1 个数量级以上完全不可信。任何 VLA scaling law claim 都应该看 (a) 数据点数 ≥ 10、(b) confidence interval 是否报告、(c) 外推距离是否 < 拟合区间的 100 倍——三个条件少一个就只能当 hypothesis 不能当结论。

10.2 §6-§9 工程版图在 VLA 场景的对应

把 §6-§9 的训练栈逐条映射到 VLA finetuning:

§6-§9 主题VLA 场景的对应实践
§6 inference-aware overtraining现代 VLM base(Qwen3.5-4B、Llama-3.x VL、PaliGemma)都已经是"超训过的小模型"。VLA stage 应继续 推满 而不是早停——一旦部署到机器人 / 车端会被高频反复调用,每个 SFT 额外 step 的边际推理收益是免费的。SFT 应该看 eval loss 平台期 而非 epoch 数
§7.5 annealing + curriculumQwen-VLA recipe 的多阶段(T2A → CPT → SFT → RL)每阶段换 data mix,但单阶段内通常是全程均匀采样。改进:单 stage 内分段——前 80% 均匀采样建 base,后 20% 切到高难度 + lower lr 精炼。callback 层重权 sampler 即可。
§8.3 FP8 训练TorchAO Float8LinearConfig + rowwise scaling 是当前最成熟的开源路径。VLA stack 里 vision tower(ViT patch embedding、Q-Former cross-attention)经常出现非 16 整除的维度,FP8 kernel 会 fallback 到 bf16。部署前应 trace GEMM kernel 统计 FP8 命中率——< 60% 先修齐 vision tower 维度。
§8.5 WSD schedulerVLA 训练通常分多阶段(T2A → CPT → SFT,或感知 → 动作两阶段),cosine 一旦定了 total step 就锁死。WSD 的 stable phase 任意延长属性是 VLA 的天然适配,应作为默认而非选项。LLaMA-Factory 主线已支持。
§9.3 preference learning 家族SimPO 这种 reference-free 变种特别值得在 robotics 上跑——VLA SFT 后的 reference model 不一定是好 reference,可能正是要修正的对象。
§9.4 GRPO + §9.5 verifiable rewardsVLA + closed-loop simulation 是 R1 范式天然适配:碰撞、违规、到达 GT、轨迹光滑度全部规则可判,不需要训 reward model;GRPO 比经典 PPO 省一半显存(去掉 value head),对 VLA 这种异构大模型显存友好。

10.3 几个值得思考的 leverage 点

下面这些方向以 LLaMA-Factory 主线和 Qwen-VLA paper 为双锚点,每条都挂到 §1-§9 的具体出处:

(a) 用 GRPO 取代 PPO 做 VLA closed-loop RL(§9.4-9.5)。LLaMA-Factory 主线的 PPO trainer(src/llamafactory/train/ppo/trainer.py)还是 value head + reward model 框架。VLA 任务的 verifiable rewards 天然丰富,把 GRPO 实装(约 200 行代码)省下 reward model + value head 两份显存。对 ~5B VLA 是 large lever,长尾场景(路口博弈、罕见 cut-in、复杂双臂协调)杠杆明显。

(b) Inference-aware overtraining 适用于 VLA(§6)。Qwen3-VL-2B / Qwen3.5-4B 这些 base 已经超训。VLA stage 应该看 eval loss 平台期 而非 epoch 数,WSD scheduler 的 stable phase 应拉长到 loss 真正进入平台。这条对 Qwen-VLA paper 的 Stage III SFT 同样成立。

(c) WSD + stage-aware sampling 组合(§7.5 + §8.5)。单 stage 内分段:前 80% 均匀、后 20% hard mining + lower lr。callback 层切换 sampler 重权,工程改动几十行。

(d) 用 Lovelace cutoff 决策 VLA epoch 数(§4.3)。VLA 团队通常拍脑袋训 1-3 epoch。按 Lovelace 的细化 cutoff:D/N<25D/N < 25 安全 5 epoch;25-100 安全 2-3 epoch;>100 只能 1 epoch。这是个 30 分钟工作量的改动,但能把"该不该多训"从经验决策变成 grounded 决策。

(e) VLA scaling law 自己重做(§1.1 + §5)。Chinchilla 的 L(N,D)L(N, D) 是 text-only 拟合的。VLA 复合 loss 应该按 sub-loss 分别拟合 scaling line(next-token / flow-matching / action L2 各一条),任何团队在多 (base size, training tokens, data mix) 下的 systematic 消融都是给社区贡献。但要按 §5 标准:数据点数 ≥ 10、报 CI、外推距离 < 100×。否则 publish 的就是 unreliable claim。

(f) FP8 在 VLA 场景的命中率值得测(§8.3)。LLaMA-Factory 主线的 fp8_utils.py 默认 module filter 跳过维度不被 16 整除的层。Qwen3-VL / Qwen3.5 的 vision tower 里有几个不规则维度的层会 fallback 到 bf16。部署前 trace GEMM kernel 统计 FP8 vs fallback 比例。fallback > 40% 先考虑修齐 vision tower 维度。

(g) 多优化器在异构 VLA 模型上的横评(§8 延伸)。LLaMA-Factory 主线支持 AdamW / GaLore / Apollo / LoRA+ / BAdam / Adam-mini / Muon。Muon 在 LM pretraining 上 wall-clock 效率更好,但 VLA 是异构结构——是否需要分模块用不同优化器(VLM 用 AdamW 保稳定、action head 用 Muon 求快)业内没系统数据。是 controlled experiment 友好的开放问题。

十一、收束

回顾一下完整的论证链:scaling law 在 Hestness 2017 就被实证为跨任务、跨架构的稳定经验(§1.1);Rosenfeld 2020 给出二元闭式解(§1.2);Kaplan 2020 因 cosine schedule + embedding parameter + 小模型主导三个因素拟出错误指数(§2.1, §2.5);Chinchilla 2022 用三种独立方法验证 a=b0.5a = b \approx 0.5(§2.2);Pearce & Song 2024 把 Kaplan vs Chinchilla 的表面分歧统一在同一条曲线上(§2.5);Besiroglu 2024 揭出 Chinchilla 论文自己的 Method 3 数字是数值优化 bug(§5);Sharma-Kaplan 和 Michaud-Brill 给出两套相互竞争的"为什么是 power law"理论(§3);Hernandez / Muennighoff / Lovelace 把数据受限区域的 cutoff 量化到可操作(§4)。这套科学叙述非常清楚,但有一个反复出现的 disclaimer——拟合 scaling law 只在拟合点附近可信(§5 playground 让你亲手感受到这一点)。

然后行业的实际走向是:所有 SOTA 模型 系统性地偏离 Chinchilla 的字面 prescription,但每次偏离都建立在它的框架之上、用它的工具集证明自己合理。Llama 系列的越界训练(§6)是为了推理摊销,DCLM 把数据当 model search(§7)是质量杠杆 > 数量杠杆,DeepSeek-R1 把 post-training RL 推到 emergence(§9)是绕开 pre-training 数据墙的另一条路径。每一步都是"在 Chinchilla 的坐标系里走出 Chinchilla"。

对做 VLA、做 domain finetuning 的实践者——§10 的 7 条 leverage 点(GRPO 替代 PPO、Lovelace cutoff 决策 epoch、WSD + stage-aware sampling、VLA scaling law 按 sub-loss 拟合、FP8 命中率实测、Muon 在异构模型上的表现、SimPO 在 VLA 上的横评)都是边际收益清晰、改动量可控的方向。其中 (e) “VLA scaling law 自己重做"特别值得做——VLA 训练点数据稀缺、复合 loss、模型尺寸正落在 Kaplan/Chinchilla 那个虚假"高峰"区段,这三个特征叠起来意味着任何严肃做出来的 VLA scaling 工作,都是对社区有显著贡献的实证基础。这正是 §1.1 Hestness 在 NLP 上做过的事,只是换了一个 domain。

References

  1. Hoffmann et al., “Training Compute-Optimal Large Language Models,” arXiv:2203.15556, 2022.
  2. Kaplan et al., “Scaling Laws for Neural Language Models,” arXiv:2001.08361, 2020.
  3. Touvron et al., “Llama 2: Open Foundation and Fine-Tuned Chat Models,” arXiv:2307.09288, 2023.
  4. Grattafiori et al., “The Llama 3 Herd of Models,” arXiv:2407.21783, 2024.
  5. Sardana et al., “Beyond Chinchilla-Optimal: Accounting for Inference in Language Model Scaling Laws,” arXiv:2401.00448, 2024.
  6. Penedo et al., “The RefinedWeb Dataset for Falcon LLM,” arXiv:2306.01116, 2023.
  7. Penedo et al., “The FineWeb Datasets: Decanting the Web for the Finest Text Data at Scale,” arXiv:2406.17557, 2024.
  8. Li et al., “DataComp-LM: In search of the next generation of training sets for language models,” arXiv:2406.11794, 2024.
  9. Villalobos et al., “Will we run out of data? Limits of LLM scaling based on human-generated data,” arXiv:2211.04325, 2022/2024.
  10. Muennighoff et al., “Scaling Data-Constrained Language Models,” arXiv:2305.16264, 2023.
  11. DeepSeek-AI, “DeepSeek-V3 Technical Report,” arXiv:2412.19437, 2024.
  12. Shoeybi et al., “Megatron-LM: Training Multi-Billion Parameter Language Models Using Model Parallelism,” arXiv:1909.08053, 2019.
  13. Rajbhandari et al., “ZeRO: Memory Optimizations Toward Training Trillion Parameter Models,” arXiv:1910.02054, 2020.
  14. Yang et al., “Tensor Programs V: Tuning Large Neural Networks via Zero-Shot Hyperparameter Transfer,” arXiv:2203.03466, 2022.
  15. Hu et al., “MiniCPM: Unveiling the Potential of Small Language Models with Scalable Training Strategies,” arXiv:2404.06395, 2024.
  16. Ouyang et al., “Training language models to follow instructions with human feedback (InstructGPT),” arXiv:2203.02155, 2022.
  17. Rafailov et al., “Direct Preference Optimization: Your Language Model is Secretly a Reward Model,” arXiv:2305.18290, 2023.
  18. Shao et al., “DeepSeekMath: Pushing the Limits of Mathematical Reasoning in Open Language Models (GRPO),” arXiv:2402.03300, 2024.
  19. DeepSeek-AI, “DeepSeek-R1: Incentivizing Reasoning Capability in LLMs via Reinforcement Learning,” arXiv:2501.12948, 2025.
  20. Meng et al., “SimPO: Simple Preference Optimization with a Reference-Free Reward,” arXiv:2405.14734, 2024.

Scaling law 科学叙述补充引用(§1-§5 新增)

  1. Weng, Lilian, “Scaling Laws, Carefully,” Lil’Log, June 2026. link — 本次升级的主要参考;前史、Why power law、拟合脆弱性三段直接借鉴她的整理。
  2. Hestness et al., “Deep Learning Scaling is Predictable, Empirically,” arXiv:1712.00409, 2017.
  3. Rosenfeld et al., “A Constructive Prediction of the Generalization Error Across Scales,” arXiv:1909.12673 / arXiv:2004.10802, 2019/2020.
  4. Bahri et al., “Explaining Neural Scaling Laws,” arXiv:2102.06701, 2021.
  5. Sharma & Kaplan, “A Neural Scaling Law from the Dimension of the Data Manifold,” arXiv:2004.10802, 2020.
  6. Pearce & Song, “Reconciling Kaplan and Chinchilla Scaling Laws,” arXiv:2406.12907, TMLR 2024.
  7. Besiroglu et al., “Chinchilla Scaling: A Replication Attempt,” arXiv:2404.10102, 2024.
  8. Michaud et al., “The Quantization Model of Neural Scaling,” arXiv:2303.13506, NeurIPS 2023.
  9. Brill, “Neural Scaling Laws Rooted in the Data Distribution,” arXiv:2412.07942, 2024.
  10. Hernandez et al., “Scaling Laws and Interpretability of Learning from Repeated Data,” arXiv:2205.10487, 2022.
  11. Lovelace et al., “Prescriptive Scaling Laws for Data Constrained Training,” arXiv:2605.01640, 2026.

相关阅读