发表时间: 2025-05 · arXiv:2505.14464 (a-m-team)
作者/机构: Xiaoyu Tian, Yunjie Ji, Haotian Wang, Shuaiting Chen, Sitong Zhao, Yiping Peng, Han Zhao, Xiangang Li, a-m-team1
一句话结论 本研究通过构建包含189万个查询的大规模并行蒸馏数据集,系统对比了不同教师模型对大语言模型推理能力蒸馏的影响,证明了使用 AM-Thinking-v1 蒸馏的高质量数据能使学生模型在复杂推理任务上取得最佳性能,并赋予模型自适应调整输出长度的能力。
要解决什么问题 大语言模型推理能力的提升高度依赖数据蒸馏,但原有做法的卡点在于,业界对“教师模型的选择如何影响学生模型”及“高质量推理数据应具备何种特征”缺乏定量研究。盲目选择教师模型会带来两个机制性问题:一是数据分布单一,部分模型倾向于生成固定长度的响应(如总是生成极长思维链),导致学生模型在简单任务上也强行输出冗长内容,增加计算代价并可能因过度发散导致精度掉点;二是数据质量不可控,包含模板化冗余、逻辑断层或与评估集重合的污染数据。这使得学生模型无法学到有效的推理轨迹,在面对高难度数学和代码任务时泛化能力受限。明确不同教师模型的风格差异及高质量数据的具体指标,是突破开源模型推理天花板的关键。
怎么做的 核心思路是采用控制变量法,基于完全相同的输入查询,分别使用三个顶尖教师模型生成思维链响应,构建平行蒸馏数据集并进行严格过滤,最后在相同学生模型上训练对比。关键设计由三个部件构成。第一是查询数据的聚合与预处理。团队从数学、代码、科学等六个领域收集开源语料,执行去重、过滤损坏样本,并使用 bge-m3 嵌入模型计算语义相似度,剔除与核心评估集相似度超过 $0.9$ 的样本以防止数据污染。第二是并行数据蒸馏与定制化验证。对于清洗后的189万个查询,分别交由 AM-Thinking-v1、Qwen3-235B-A22B 和 DeepSeek-R1 独立进行增量蒸馏。不同领域采用不同验证逻辑:数学使用 Math-Verify5 等进行两阶段校验,代码在沙盒中测试通过率,指令遵循和对话则使用特定模型评估连贯性与约束满足度。所有响应必须满足验证分数 $verify\_score \ge 0.9$。第三是多维度质量保证与特征分析。团队计算响应的困惑度(PPL)进行过滤,剔除高频词组以减少模板化冗余,并强制检查 `<think>` 和 `<answer>` 结构。分析发现,AM-Thinking-v1 生成的数据平均困惑度最低(2.5),且在数学任务上呈现高度分散的令牌跨度分布——既有大量低于1024个令牌的短序列,也有大量超过10240个令牌的极长序列。这种兼具长短响应的数据多样性,正是其绕开单一分布卡点、赋予模型自适应生成能力的方法内核。
效果如何 实验基于 Qwen2.5-32B 作为基础模型,全局批处理大小设为64,学习率8e-5,采用余弦预热训练2个epoch,最大序列长度32k。对比基线是分别使用 Qwen3-235B-A22B 和 DeepSeek-R1 蒸馏数据训练的同参数模型,它们代表了当前最顶尖的开源长思维链推理路线。评估时生成长度上限设为49,152个令牌,统一使用包含思维链标签的系统提示。量化结果显示,AM-Thinking-v1 蒸馏的模型在所有高难度基准上均取得最佳 pass@1 表现:在 AIME2024 和 AIME2025 数学竞赛测试分别达到 84.3 和 72.2 的高分;在 MATH500 上达到 98.4;在无污染代码基准 LiveCodeBench 上达到 65.9。此外,该模型展现出显著的自适应生成行为:在复杂的 AIME2025 任务上平均生成长度高达 18199.2 个令牌,而在较简单的 MATH500 任务上平均长度仅为 3495.7 个令牌,比 Qwen3-235B-A22B 蒸馏的模型更短。训练动态也表明其始终保持最低的训练损失。作者指出的局限在于,当前研究仅停留在监督微调阶段,未来需利用近端策略优化(PPO)或广义组相对策略优化(GRPO)等强化学习技术进一步提升推理能力。
本文旨在系统性地研究不同教师模型对大型语言模型(LLM)推理能力蒸馏训练的影响。研究的核心问题是,在数据蒸馏过程中,教师模型的选择是否会显著影响学生模型的最终性能,以及高质量的推理数据应具备哪些特征。
研究目标与创新点:
图 1: AIME2024/LiveCodeBench3 上的开源模型基准测试。
本节首先介绍用于构建我们训练语料库的数据预处理和蒸馏流程,然后对生成的数据集在分布、长度和质量方面进行详细分析。
构建大规模训练语料库。为了支持稳健和全面的模型训练,我们通过聚合来自多个公开可用的开源语料库的数据,构建了一个大规模的训练语料库。这些语料库涵盖了广泛的自然语言处理任务,包括数学推理、代码生成、科学推理、指令遵循、多轮对话和通用推理。为了进行下游分析和有针对性的数据处理,每个数据源都被系统地分配到一个特定的任务类别。
训练数据分类。聚合的训练数据被分类如下:
查询预处理。为了保证后续模型训练的可靠性,我们对原始查询应用了严格的多阶段预处理:
数据蒸馏框架。预处理后,我们进行了大规模数据蒸馏,以进一步提升训练语料库的质量。对于每个预处理过的查询,我们采用了使用三个最先进模型(AM-Thinking-v1【索引4,Am-thinking-v1: Advancing the frontier of reasoning at 32b scale,2025,Yunjie Ji等人】、Qwen3-235B-A22B【索引3,Qwen3,2025年4月,Qwen Team】和 DeepSeek-R1【索引1,Deepseek-r1: Incentivizing reasoning capability in llms via reinforcement learning,2025,DeepSeek-AI等人】)的增量蒸馏策略。每个查询都由这三个模型独立蒸馏。对于每个模型,对同一查询的蒸馏过程会重复进行,直到生成的响应满足验证标准(即验证分数 ≥ 0.9)。因此,每个查询最多产生三个高质量的蒸馏输出,分别对应三个模型,每个输出都经过迭代优化,直到通过自动验证。
自动验证与评分。为了确保蒸馏数据的可靠性和正确性,我们为每个数据类别采用了量身定制的自动验证程序,并为每个模型生成的响应分配一个验证分数(verify_score):
所有数据类别统一使用0.9的验证分数阈值。
质量保证措施。为了进一步提高数据质量,我们引入了几项额外的验证和过滤策略:
最终,这个过程产生了一个包含189万个查询的综合数据集,每个查询都配有从三个模型中蒸馏出的高质量、经过验证的响应。
引言与对比分析概述。我们对从三个不同的大型模型(AM-Thinking-v1【索引4,Am-thinking-v1: Advancing the frontier of reasoning at 32b scale,2025,Yunjie Ji等人】、Qwen3-235B-A22B【索引3,Qwen3,2025年4月,Qwen Team】和 DeepSeek-R1【索引1,Deepseek-r1: Incentivizing reasoning capability in llms via reinforcement learning,2025,DeepSeek-AI等人】)蒸馏出的训练数据进行了详细分析。这项比较分析涵盖了实例级和令牌级的输出分布、令牌长度特征以及困惑度(PPL)分布,从而深入了解每个数据集的数据质量和结构倾向。
图 2: 对AM-Thinking-v1、Qwen3-235B-A22B和DeepSeek-R1的实例级和令牌级输出分布进行了分析。通用聊天包括多轮对话和其他类型的数据。
实例与令牌级分布分析。图2显示了这些数据集在实例和令牌两个层面的输出分布。实例级分布(左上图)显示,该数据集包含高比例的通用聊天(41.8%),其次是数学(29.5%)和代码(17.1%)。相比之下,Qwen3-235B-A22B 和 DeepSeek-R1 的令牌级分布(下图)则更侧重于数学(分别为38.0%和41.0%),通用聊天和代码的比例相似。值得注意的是,AM-Thinking-v1 的令牌级分布(右上图)也强调数学(33.4%),尽管程度不及 DeepSeek-R1。在所有数据集中,科学和指令遵循(IF)数据所占份额较小。
图 3: AM-Thinking-v1、Qwen3-235B-A22B和DeepSeek-R1在数学任务上实例的令牌跨度分布。
数学实例的令牌跨度分布。此外,图3展示了专门针对数学实例的令牌跨度分布。它表明 AM-Thinking-v1 的数学数据呈现出高度分散的分布——许多短序列(低于1024个令牌)和大量非常长的序列(超过10240个令牌)。这反映了在固定查询集下令牌分布的特征,即 AM-Thinking-v1 倾向于更频繁地生成短响应和非常长的响应。相比之下,Qwen3-235B-A22B 的数据通常表现出更长的令牌跨度,表明其倾向于产生更长的响应。DeepSeek R1 的令牌跨度大多集中在1k到8k个令牌之间,显示出中等范围的响应长度。
图 4: AM-Thinking-v1、Qwen3-235B-A22B和DeepSeek-R1数据集的令牌计数分布。箱线图标示了令牌数量的分布,并标注了均值。Qwen3-235B-A22B的平均令牌数最高,其次是DeepSeek-R1和AM-Thinking-v1。
平均令牌长度分析。图4中的箱线图进一步揭示了每个实例的平均令牌长度。Qwen3-235B-A22B 数据集的平均令牌数最高(4196.7),其次是 DeepSeek-R1(3784.8)和 AM-Thinking-v1(3757.3)。这与直方图的观察结果一致,即 Qwen3-235B-A22B 强调更长的实例,而 AM-Thinking-v1 覆盖了更广泛的长度范围,包括极短和极长的序列。
图 5: AM-Thinking-v1、Qwen3-235B-A22B和DeepSeek-R1数据集的困惑度(PPL)分布。箱线图标示了PPL分布,并标注了均值。AM-Thinking-v1的平均PPL最低,表明整体质量更优。
困惑度(PPL)对比。最后,图5比较了各个数据集的困惑度(PPL)。困惑度是衡量语言模型性能的关键指标,数值越低表示质量越好。在这三个数据集中,AM-Thinking-v1 实现了最低的平均 PPL(2.5),表明其蒸馏出的输出通常质量更高。DeepSeek-R1(平均PPL = 2.9)的性能略好于 Qwen3(平均PPL = 3.0),这凸显了 AM 蒸馏数据在困惑度方面的相对强大性能。
模型架构:
训练配置:
硬件配置:
软件配置:
数据集与基准测试:
评估设置:
<think> 和 <answer> 标签内分别输出推理过程和最终答案。针对AIME和MATH500任务,额外增加了“Let’s think step by step and output the final answer within \box.”的指令。跨基准测试的性能比较
如表1所示,使用从 AM-Thinking-v1 蒸馏的数据训练的模型在所有基准测试中始终获得最高的准确率。在更具挑战性的数学任务 AIME2024 和 AIME2025 上,该模型分别取得了84.3和72.2的高分,显著优于使用 Qwen3 和 DeepSeek 蒸馏数据训练的模型。此外,它在 MATH500(98.4)和 LiveCodeBench(65.9)上也处于领先地位,表明其在数学和代码推理任务上具有广泛的泛化能力。
表 1: 使用不同教师模型蒸馏数据在推理基准上的比较。
生成长度分析
为了更好地理解模型行为,我们分析了不同基准上每个样本的平均生成长度(见表2)。有趣的是,AM-Thinking-v1 蒸馏的模型在更复杂的任务上会产生明显更长的输出:AIME2024 和 AIME2025 的平均令牌数分别为15273.8和18199.2,LiveCodeBench 则为23426.9。相反,在较简单的 MATH500 基准上,其平均生成长度(3495.7)比 Qwen3-235B-A22B 蒸馏的模型更短。这种自适应的生成模式表明,AM 蒸馏的模型能更好地根据任务复杂性调整输出长度——在需要时生成更详细的解决方案,在简单问题上保持简洁。这一发现与2.3节的数据分析相符,即 AM-Thinking-v1 蒸馏数据集包含更高比例的短序列和长序列,这种数据分布的多样性可能有助于模型动态调整响应长度的能力。
表 2: 各推理基准上的平均生成长度(每个样本的令牌数)。
训练动态分析
我们通过检查图6中的损失曲线进一步比较了训练动态。AM-Thinking-v1 蒸馏模型在整个优化过程中始终保持比 Qwen3-235B-A22B 和 DeepSeek-R1 蒸馏模型更低的训练损失。这一观察结果支持了 AM-Thinking-v1 数据集为基础模型提供了更易学习、更连贯和更高质量的监督信号的观点。
图 6: AM-Thinking-v1-Distilled、DeepSeek-R1-Distilled 和 Qwen3-235B-A22B-Distilled 的损失曲线。
本文对开源语言模型的推理数据蒸馏进行了全面的实证研究。通过使用三个顶尖的教师模型(AM-Thinking-v1、Qwen3-235B-A22B 和 DeepSeek-R1),我们构建了一个包含189万个经过验证的推理样本的大规模并行语料库。严格的数据预处理、验证评分和质量保证措施确保了高质量训练数据的构建,为学生模型的稳健学习奠定了基础。
实证结果表明,在包括 AIME2024(84.3)、AIME2025(72.2)、MATH500(98.4)和 LiveCodeBench(65.9)在内的多个基准测试中,使用 AM-Thinking-v1 蒸馏数据训练的模型始终表现出色。
为了深入了解模型行为,我们对生成行为和训练动态进行了详细分析。我们观察到,AM 蒸馏模型表现出自适应的生成长度——在处理更难的任务时生成更长的响应,在处理较简单的基准时则生成较短的响应,这表明它能够根据任务难度进行调整。这一发现与我们早期的数据分析相符,即 AM-Thinking-v1 蒸馏数据具有广泛的令牌长度范围,为自适应推理提供了更有力的支持。
展望未来,一个有前景的研究方向是利用强化学习技术(如近端策略优化 PPO 或广义组相对策略优化 GRPO)进一步增强这些模型,以提升其推理能力和对齐性。我们公开发布了基于 AM-Thinking-v1 和 Qwen3-235B-A22B 的蒸馏数据集,以支持在开放和高性能的推理导向语言模型方面的持续研究。
以下是论文方法细节部分(第2节)引用的参考文献及其在文中的作用:
【索引1】Deepseek-r1: Incentivizing reasoning capability in llms via reinforcement learning, 2025, DeepSeek-AI 等人。
【索引3】Qwen3, 2025年4月, Qwen Team。
【索引4】Am-thinking-v1: Advancing the frontier of reasoning at 32b scale, 2025, Yunjie Ji 等人。
【索引5】American invitational mathematics examination - aime, 2024年2月, MAA。
【索引9-25】
【索引26】Bge m3-embedding: Multi-lingual, multi-functionality, multi-granularity text embeddings through self-knowledge distillation, 2024, Jianlv Chen 等人。
【索引27, 28】Qwen2 technical report, 2024, An Yang 等人; Qwen2.5: A party of foundation models, 2024年9月, Qwen Team。
【索引29】Decision-tree-reward-llama-3.1-8b, 2025, Min Li and RLHFlow Team。
【索引30】1.4 million open-source distilled reasoning dataset to empower large language model training, 2025, Han Zhao 等人。