ETTRL
Test-Time RL · arXiv 2508.11356

ETTRL:rollout 在哪分叉、优势该放大多少,都交给「熵」来定

TTRL 靠多数投票造伪标签,但需要几十到上百条并行 rollout,而且早期共识往往错、模型还对它过度自信。 这篇论文用两个熵机制对症下药:ETMR 只在高熵 token 处分叉、复用低熵前缀省 token;EAR 按回复级相对熵缩放优势,压住早期的高熵「蒙对」样本。

Jia Liu, ChangYi He, YingQiao Lin, MingMin Yang, FeiYang Shen, ShaoGuo Liu · 快手 / 北航 / 西工大 原文 ↗
TL;DR · 30 秒抓住核心

TTRL 的两个痛点其实是同一个东西的两面:可靠性来自更多 rollout,但 rollout 越多越贵;伪标签越早越不靠谱,可 GRPO 的组内归一化恰恰把早期少数「幸运样本」的优势放大到最大。

ETMR 把并行采样换成一棵熵分叉树:高熵 token 处放 B 个分支,低熵前缀所有分支共享。按均匀分布假设,token 消耗比简化为 (1 + 0.5·B·N) / (1 + B·N),N=2、B=2 时正好是 60%,叶子数 M(1+B·N)=12×5=60 条。

EAR 进一步区分「蒙对的」和「真会的」:回复平均熵高于组内平均的,优势乘 γ<1;低于平均的略微放大。γ 对称裁剪在 [0.8, 1.2],比直接裁剪优势的 Adv-Clip 更稳。

68%
Llama-3.1-8B 在 AIME 2024 上 Pass@1 相对提升(摘要与 Table 1 均为 69.0% 一格)
60%
ETMR 达到同等 rollout 条数所需的 token 预算占比(Eq. 11,N=2, B=2)
13.1
Qwen2.5-Base-3B 在 AIME 2024 的 Pass@1,TTRL 为 7.9(Table 2)
01

TTRL 的贵,和它的脆,是同一个循环

先看懂 TTRL 的训练回路,才能明白为什么省 token 和防过自信必须一起解决。

测试时强化学习(TTRL)面对一个无标签的问题 q:让策略采样 N 条回复,抽取答案,取众数当作伪标签 y*,答案等于 y* 的回复给奖励 1,其余给 0,然后就地跑一轮 GRPO。

RTTRL(oi) = 𝟙[ extract_answer(oi) = y⋆ ]
Eq. 7 · 奖励只有一个比特,而 y* 本身是模型自己投票投出来的

问题从这个回路里长出来,论文把它们并列为两条:

这两条为什么纠缠在一起?因为它们共用同一个「票数少」的起点。票数少 → 伪标签不准 → 早期只有极少数回复拿到正奖励 → GRPO 组内归一化把这几条「幸运样本」的优势推得特别大。论文 Figure 3 在 AIME 上记录了这个进程:多数比例从约 10% 爬到 70%,而正的组内相对优势随之下降。换句话说,模型最不靠谱的时候,恰好被推得最狠。

02

现有做法各管一头:要么堆样本省钱,要么硬压优势

论文的 related work 把无监督奖励估计分成「软」「硬」两派,并对加熵正则的传统办法保持保留。

软估计

熵最小化即奖励

RENT、EM-RL 直接拿负的回复熵当稠密奖励(Eq. 6)。

卡点:把「信心」当「正确」;奖励还受基础模型归纳偏置和校准程度影响,熵低的错答案同样被鼓励。

硬估计

一致性 / 多数投票

TTRL 用并行采样 + 众数投票造伪标签,对标签噪声有一定容忍度。

卡点:可靠性靠 rollout 数量堆出来,token 直接线性增长;且不处理早期优势被放大的问题。

熵做正则

熵奖励 / 熵调制优势

PPO、SAC 式的熵项,以及 Cheng 等人的熵增优势项。

卡点:论文引用 Cui 等人的结论:系数难调,加到 LLM 上可能无效甚至熵爆炸;加在优势里也有量纲不一致的问题。

论文自己的 takeaways 把这个格局总结为一句话:软、硬两派「从机制上都没有在利用和探索之间取得有效平衡」。还有一个现成的对照——Adv-Clip:直接把 GRPO 的优势裁到 [−β, β](论文实验取 β=2)。它能压住极端更新,但「不利用每个回复可靠性的细粒度信息」,这正是 EAR 要补的空。

03

两个熵机制:一个管采样在哪花 token,一个管优势怎么缩放

两段都可以手算。先看 ETMR 为什么 60% 的 token 能换回同样多的 rollout 叶子。

ETMR:只在最犹豫的 token 处分叉

观察是:推理轨迹里有大量逐字重复,真正影响结果的是少数高熵 token——通常是连词、转折词(论文举例 “but”“however”)。低熵 token 换个分支也几乎一样,复用它不损失多样性。ETMR 沿用 TreeRL 的 token 级决策步:先生在一条树上生成整条回复,再用 H(yt) = −log π(yt) 挑出熵最高的 N 个 token 作为分叉点,每个分叉点再采样 B 条分支,所有分支走到叶子,最后把叶子答案拿去投票。

Rtree = M (1 + B · N)     Ttree = Len · (1 + B · Σk=1..N k/(N+1))    TRtree = (1 + 0.5·B·N) / (1 + B·N)
Eq. 8–11 · 叶子数只由 M、N、B 决定;token 消耗靠一个假设简化:N 个分叉点在整条回复里均匀分布,于是 Σ k/(N+1) = N/2

按论文的均匀假设,N 个分叉点落在 xk = k/(N+1)(k=1…N),第 k 叉之后还剩 1 − k/(N+1) 的回复。求和 Σ (1 − k/(N+1)) = N/2,于是相对并行采样的 token 比从 1 压到 (1 + 0.5·B·N) / (1 + B·N):每多一个分叉点,只多付「分支数 × 剩余长度」的一半左右。

论文的算例

N=3、B=2 给出 60%,但实验用的是 N=2

Eq. 11 下面写的是「N = 3, B = 2 时只需 60% 的 token」;(1+3)/(1+6) = 4/7 ≈ 57.1%,接近但不等。而第 4 节的实测配置是 M=12、N=2、B=2,叶子 12×(1+4)=60 条,对照 TTRL 的 64 条,(1+2)/(1+4) = 正好 60%,这个数对得上。两处说法不一致,以实验配置为准。

叶节点 vs token 消耗
那个 60% 具体怎么手算?N=2、B=2 的逐项拆解

N=2、B=2。分子 1 + 0.5·2·2 = 3,分母 1 + 2·2 = 5,比例 3/5 = 60%。对应到分叉位置:第 1 叉在 1/3 处,每个分支还剩 2/3;第 2 叉在 2/3 处,每个分支还剩 1/3;两项剩余长度之和为 1,即 N/2。

Eq. 11 相对 Eq. 10 少掉的是「第二叉长在第一叉分支上、自身又分出 B 条」这层结构,所以它是一个近似值。论文没有报告树上前缀的真实复用率,60% 是公式值而不是测量值;第 07 节提到的「墙上时间达不到理论值」也说明理论节省不等于实测节省。

EAR:用回复级相对熵给优势打折

第二个机制作用在奖励侧。把每条回复的平均 token 熵(Eq. 5)和组内平均比一比,得到缩放系数 γ,再乘到 GRPO 优势上。它用的不是绝对熵,而是相对熵:论文 5.2 节说先用绝对熵,发现有量纲不一致、超参难调,才换成相对值。

γi = 1 + ( avg(Hresp) − Hresp(oi) ) / avg(Hresp)
Âresi,t = Clip(γi, 1−α, 1+α) · Âi,t      Âclipi,t = Clip(Âi,t, −β, +β)
Eq. 14–15、13,以及 Adv-Clip 的 Eq. 12 · 论文中 α 对称取 0.2,β 取 2

注意它的方向和「熵越低越好」的直觉正好相反一半:高熵样本被压(它们更可能是蒙对的),低熵样本被放(模型真的会),但只放一点点,靠 α 截断。下面可以拖动熵分布,看每一档的 γ 和最终乘数。

高熵 vs 低熵
手算验证:H = [0.4, 0.6, 0.7, 0.5],α = 0.2四个样本的 γ 与最终乘数

组内平均熵 = (0.4+0.6+0.7+0.5)/4 = 0.55。γ = 1 + (0.55 − H)/0.55:

  • H=0.4(最自信):γ = 1.273 → 裁到 1.20,优势放大 20%
  • H=0.6:γ = 0.909 → 0.91,略打折
  • H=0.7(最犹豫):γ = 0.727 → 裁到 0.80,优势只剩 80%
  • H=0.5:γ = 1.091 → 1.09

四个熵全相等时,所有人的 γ 都是 1,EAR 退化为空操作——它只区分组内的相对高低,不改变整体尺度。

04

训练几乎照搬 TTRL:先投 64 票,只取 32 条算梯度

ETTRL 不改算法骨架,改的是「rollout 怎么长」和「优势怎么算」这两处。

ETMR 的工程代价藏在结构里:并行采样能吃满 GPU 批处理,树状 rollout 却是流水线式的分支——一部分分支在等另一部分先吐 token。论文 6 节承认,现有 RL 框架(Verl)没有原生支持这种混合执行模式,理论省下的 token 没有等比例变成墙上时间,扩展 Verl 的调度原语留作未来工作。

05

一条提示词的完整走法

对应论文 Figure 1:采样 → 投票 → 优势 → 重塑 → 策略更新,两个熵机制分别插在首尾。

提示 q 无标签 ETMR · 熵分叉树 叶子 = M(1+B·N) 条回复 token ≈ 并行采样的 60% 低熵前缀共享,高熵处分叉 低熵 token 高熵分叉点 多数投票 伪标签 y* 奖励 R / 优势 Â GRPO 组内归一化 EAR · 相对熵缩放 高熵回复 γ < 1,优势打折 更像「蒙对」,别学太快 低熵回复 γ > 1,最多 ×1.2 更像「真会」,可以放大 γ 裁剪到 [0.8, 1.2] 只改优势,不改奖励方向 策略优化后回到同一提示词继续迭代
图 1:ETTRL 的完整回路。左框是采样侧的熵机制,右框是奖励/优势侧的熵机制;中间的投票与 GRPO 归一化是 TTRL 原样保留的部分。

为什么第二个机制能起作用,论文的解释是消融式的。对 ETMR,论文 §5.1 的口径是「相对容易的数据集,较难的数据集(如 AIME)上相对增益更大」,并归因于高熵处分叉带来更强的探索、让伪标签更准;但增益要参照基线水平来读:AIME 上基线普遍只有 7.9–15.8,Llama-3.1-8B 10.0→16.9 才显得大,而 MATH-500 上基线已在 63–73,同样的分叉换不来更准的伪标签,Adv-Res 在 Llama-3.1-8B 的 MATH-500 上也从 63.7 退到 61.3(↓3.8%),说明这一档本来就难涨——ETMR 在该行跌到 59.5。所以「难题涨得多」在表格里的确定性表述是「AIME 的相对增幅最大」,不涵盖 MATH-500 的退步。EAR 的增益则在「非数学、小模型」上更大,因为它们的内在不确定性更高,更容易被高熵的幸运样本带偏。两个机制在各自擅长的模型上增益最大,这就是「同一份熵、两种用法」的经验证据。

06

难题涨得多、小模型涨得多,MATH-500 基本让位

三张表、三个模型,全部 Pass@1(贪心解码)。每个组件单独替换 TTRL 的一个环节。

Δ 相对 =(新值 − TTRL 基线)/ 基线,保留 1 位小数、四舍五入,本页按表中绝对数逐格复算。原文 Table 2 有两处与复算不符:Qwen2.5-Base-3B 的 AMC 写 ↑3.2%(40.7→41.4 实为 ↑1.7%),Llama-3.1-8B 的 MATH-500 写 ↓0.8%(63.7→61.3 实为 ↓3.8%);其余 22 格一致。Table 1 的 24 格全部一致。

TTRL 基线 ETMR / Adv-Res

几处值得注意的地方:

  • 相对提升最大的不是最大模型,而是最「偏科」的。ETMR 在 Llama-3.1-8B 的 AIME 上 10.0→16.9(+69.0%),在 Qwen2.5-Math-1.5B 上 15.8→21.0(+32.9%),到 Qwen2.5-Base-3B 只剩 +16.5%。
  • MATH-500 上 ETMR 反而退步。Llama-3.1-8B 从 63.7 掉到 59.5(−6.6%),Qwen2.5-Base-3B 也从 72.2 掉到 71.7。分叉树省下的 token 在较容易的数据上没有换成更好的伪标签。
  • EAR 和 Adv-Clip 几乎打平,但机理不同。两边各有胜场:Adv-Clip 在 Qwen2.5-Base-3B 的 AMC(42.0 vs 41.4)和 MATH-500(71.3 vs 72.4)、Llama-3.1-8B 的 AMC(34.7 vs 36.4)和 MATH-500(63.2 vs 61.3)上领先;Adv-Res 主要在难题 AIME 上领先——Qwen2.5-Base-3B 13.1 vs 10.0、Qwen2.5-Math-1.5B 19.6 vs 19.4,Llama-3.1-8B 两队同为 13.5;MATH-500 上 Qwen2.5-Math-1.5B 两队同为 77.3,另外两组 Adv-Clip 分别高 0.3 和 1.9。Avg 三行依次为 49.3/49.1、42.3/41.1、37.1/37.1。
  • 论文正文口径略大于表格。摘要写「68%」,Table 1 是 69.0%;正文称 Adv-Res 让 Qwen2.5-3B「提升 65%」,Table 2 是 65.8%。
07

省 token 不等于省时间,省出来的也不全是收益

论文在 Limitation 和讨论里自己点了几条,其余可以从表格里读出来。

论文自述

墙上时间达不到理论值

ETMR 的 token 减少是理论值;树状 rollout 是流水线式的,并行采样则能吃满 batch。Verl 缺原生混合调度支持,所以实际加速有限。此外,ETMR 对温度很敏感,过高会训练崩塌;相对熵系数和裁剪上界在论文中也都随数据集、模型而变,作者没有做系统搜索。

数据可读

60% 的 token 换来的分叉,在简单数据上会亏

Table 1 里 MATH-500 的两处负增益说明:当模型本来就有较高准确率、多数样本路径相似时,刻意在低熵处旧有路径上分叉并没有提供额外多样性,反而稀释了 vote-then-sample 的样本量。ETMR 适配的是「模型自己都拿不准」的难题。

机制边界

它仍然完全依赖投票出的伪标签

ETMR 提高伪标签准确率、EAR 降低对不可靠标签的学习速度,但二者都没有引入外部验证器或打破共识。当模型的整体分布系统性偏移(所有路径一起错),投票依然会给出一致的错误标签——论文没有针对「集体性错误」的机制。

适用范围

实验只有数学,模型最大 8B

三个基准(AIME 2024、AMC、MATH-500)都要求答案可抽取、可比较多;投票机制在开放式写作、代码这类答案空间连续或不唯一的任务上难以直接使用。另外,本文所有增益都是在 1.5B–8B 范围内测得的,更大模型上熵的分布和校准方式可能不同。

选中的配置
分叉点 N每叉分支 B 叶子数 M(1+BN), M=12 Eq. 11 比例 读法

点是原文给出的配置,选中后一行高亮:N 越大、B 越大,共享的前缀越多,比例越低;B=1 时不产生真正的分叉,比例恒为 1。

N=1 N=2 N=3 N=4 N=5 0% 50% 100% 60% · 实验配置 57.1% B=1 B=2 B=3 纵轴:Eq. 11 的 token 比例(相对同条数并行采样,M 抵消)