Trust, But Verify: A Self-Verification Approach to Reinforcement Learning with Verifiable Rewards

Motivation

• Known: RLVR(Reinforcement Learning with Verifiable Rewards)을 통해 LLM의 추론 능력을 향상시킬 수 있으며, 최근 논문들이 검증 가능한 보상만으로 성능 개선을 입증했다.
• Gap: 기존 RLVR 방법들은 올바른 답을 생성하지만 자신의 추론 과정을 견고하게 검증하지 못하는 문제가 있다. 문제 풀이와 검증 학습이 분리되거나 검증 능력에 대한 직접적인 RL 피드백이 부족하다.
• Why: LLM이 진정한 추론 능력을 갖추려면 단순한 답 생성뿐 아니라 자신의 결과를 비판적으로 평가할 수 있어야 한다. 이는 테스트 타임 성능 향상과 더 견고한 추론 시스템으로 이어질 수 있다.
• Approach: 결과 검증자(outcome verifier)로부터의 검증 가능한 보상을 풀이 생성과 자기검증 작업 모두에 동시에 활용하는 온라인 RL 프레임워크를 설계한다.

Achievement

1. 추론 정확도 향상: Qwen-3B 기준 Zero-RL 베이스라인 대비 3.7% 평균 개선, 지시어 조정 모델(Qwen-3B-Instruct)과 비교하면 일관된 상위 성능
2. 검증 능력 대폭 개선: 검증 정확도에서 최대 2.8배 향상 달성, Qwen-3B-Instruct 대비 33.4% 성능 이득
3. 테스트 타임 다수결 투표(majority voting) 초과: RISE-3B와 RISE-7B가 k=4 추론 예산 하에서 표준 다수결 투표를 각각 +0.2%, +1.9% 상회
4. 모델 규모 확장성: 1.5B, 3B, 7B 모델에서 일관된 성능 개선으로 방법론의 일반성 입증

How

• 2단계 프로세스:
  1. 문제 풀이 및 검증 생성: 훈련 배치의 문제에 대해 모델이 chain-of-thought 풀이를 k번 롤아웃으로 생성, 생성된 풀이를 검증 프롬프트 템플릿으로 포맷팅하여 자기검증 지시 생성
  2. RL 최적화: 원본 생성 데이터와 검증 데이터를 혼합한 새 배치 구성, PPO 목적함수로 모델 업데이트
• 검증 보상 활용: 결과 검증자 OV가 생성된 풀이의 정확성에 대해 이진 보상(0 또는 1)을 제공, 동일한 보상 신호를 검증 점수 예측의 정확성 평가에도 적용
• 온라인 메커니즘: 현재 정책(on-policy)에서 생성된 풀이를 즉시 검증하므로, 모델의 실제 생성 분포에 대한 검증 능력 학습이 가능
• 통합 학습: 풀이 생성 궤적과 자기검증 궤적의 보상을 함께 사용하여 정책 업데이트, 단일 RL 프로세스 내에서 두 능력 동시 개선

Originality

• 검증 능력의 명시적 RL 학습: 기존 연구에서 검증은 주로 풀이 개선의 보조 수단으로만 활용되었으나, RISE는 검증 자체를 동등한 RL 학습 대상으로 취급
• 온라인 자기검증의 설계: 오프라인 또는 분리된 검증 학습이 아닌, 현재 정책이 생성한 풀이에 대한 실시간 검증 학습으로 분포 불일치(distribution mismatch) 완화
• P vs NP 이분법 활용: 컴퓨터 과학의 고전적 P/NP 문제와 연결하여 생성과 검증의 비대칭성을 이론적으로 정당화
• 통합 검증 템플릿: 원본 문제와 모델 풀이를 조합하여 체계적으로 검증 프롬프트를 생성하는 명확한 방식 제시

Limitation & Further Study

• 검증자 의존성: 결과 검증자의 정확도와 신뢰성에 전적으로 의존하므로, 검증자 오류 시 잘못된 신호 전파 가능성
• 이진 보상의 한계: 검증 가능한 보상이 이진(0/1)이므로, 부분 정확도나 추론 과정의 질에 대한 세밀한 피드백 부족
• 계산 비용: 각 배치마다 k번의 풀이 롤아웃과 이에 상응하는 검증 프롬프트 처리로 훈련 계산량 증가 (약 2배의 forward pass 필요)
• 수학 영역 중심의 평가: 주로 수학적 추론 벤치마크(MATH, AMC, AIME 등)에서 평가되어, 다른 도메인(코드, 자연어 이해 등)으로의 일반화 여부 불명확
• 후속 연구 방향:
  • 검증 능력이 다른 추론 작업(코드 생성, 논리적 추론)으로 전이되는지 검증
  • 더 복잡한 검증 기준(다단계 부분 채점)에서의 확장성 연구
  • 검증 계산 비용 최적화 전략 개발

Evaluation

총평: 본 논문은 검증 가능한 보상을 활용하여 LLM의 문제 풀이와 자기검증 능력을 동시에 강화하는 실용적이고 효과적인 온라인 RL 프레임워크를 제안하며, 수학적 추론 벤치마크에서의 일관된 성능 개선과 상세한 분석으로 학계의 주목할 만한 기여이다.