Large language models (LLMs) have shown amazing performance on tasks that require planning and reasoning. Motivated by this, we investigate the internal mechanisms that underpin a network's ability to perform complex logical reasoning. We first construct a synthetic propositional logic problem that serves as a concrete test-bed for network training and evaluation. Crucially, this problem demands nontrivial planning to solve, but we can train a small transformer to achieve perfect accuracy. Building on our set-up, we then pursue an understanding of precisely how a three-layer transformer, trained from scratch, solves this problem. We are able to identify certain "planning" and "reasoning" circuits in the network that necessitate cooperation between the attention blocks to implement the desired logic. To expand our findings, we then study a larger model, Mistral 7B. Using activation patching, we characterize internal components that are critical in solving our logic problem. Overall, our work systemically uncovers novel aspects of small and large transformers, and continues the study of how they plan and reason.


翻译:大型语言模型(LLM)在需要规划与推理的任务上展现出惊人性能。受此启发,我们探究了支撑网络执行复杂逻辑推理的内部机制。首先,我们构建了一个合成命题逻辑问题,作为网络训练与评估的具体测试平台。关键在于,该问题的求解需要非平凡的规划能力,但我们能够训练一个小型Transformer以达成完美准确率。基于此实验设置,我们进而深入探究一个从头开始训练的三层Transformer精确求解此问题的机制。我们成功识别出网络中某些“规划”与“推理”电路,这些电路需要注意力模块之间的协作来实现目标逻辑。为拓展研究发现,我们随后研究了更大规模的模型Mistral 7B。通过激活修补技术,我们刻画了在求解逻辑问题中至关重要的内部组件。总体而言,我们的工作系统性地揭示了小型与大型Transformer的新特性,并持续推进了关于它们如何进行规划与推理的研究。

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