【新视野】假如有一万张卡，RL训练该怎么扩大规模？十万张呢？

强化学习走向规模化，效率成为关键变量

当预训练将大模型带到新的能力起点，强化学习则通过持续的探索与反馈，不断激发模型在新环境、新任务中的推理与行动能力，决定它们还能走多远。

(资料图片仅供参考)

RL 在模型开发中占的比重越大，训练效率对算力预算的影响也越直接。

这些效率收益可以从哪里找？一个最基础、也几乎所有训练配方都无法绕开的参数，就是Batch Size。

在实际训练中，Batch Size 常常出现在两类决策中：

• Batch Size Tuning：让配方适配新条件。 模型变大了，或 GPU 卡型变了，原来的 Batch 和学习率不一定还合适。Batch 太小可能让硬件利用不充分，与之不匹配的学习率则可能让学习变慢甚至不稳定。这时需要找到一组能稳定学习、又能高效使用当前硬件的 Batch 与配套超参数。
• Batch Size Scaling：把并行度变成更短的训练时间。 如果同一个模型得到了更多 GPU，Batch 能否同步扩大，让模型更早达标？即使 GPU 数量不变，如果生成并发较低、设备还没有充分工作，能否通过更大 Batch 利用这部分闲置能力？

两类决策最终都指向同一个实际问题：如何找到最优的 Batch Size，使模型以最短的 wall-clock time 达到预期性能？

更大的 Batch，既可能是加速器，也可能成为减速带。腾讯混元团队在实验中观察到：适度增大 Batch，并同步调整学习率，可以在保持学习效率的同时提高吞吐；但 Batch 过大时，额外样本代价会反过来压过吞吐收益。图 1 把这种反差画成登山：有的路线能更快抵达同一性能「山顶」，有的看似步子更大，登顶反而更慢。

图 1｜把训练比作登山：山顶代表达到同一目标性能，四条路线代表不同的 Batch Size，每个路标代表一次优化更新。配套调整学习率后，B、2B 和 4B 在累计样本维度上保持近似相同的学习进度；其中更大的 Batch 因吞吐更高而更快「登顶」。但扩大到 16B 后，样本效率损失超过吞吐收益，登顶反而比 B 更慢。图例给出了归一化 time-to-target。

这种从加速到减速的转折，背后遵循怎样的科学规律？能否建立一套可测量的准则，找到 time-to-target 最短的 Batch Size？

为回答这个问题，腾讯混元团队将 Batch Size 放回训练动力学与硬件执行的共同约束中，从第一性原理出发，重新审视大模型强化学习的规模化规律。

• 标题：《When Do Larger Batches Help Scale LLM Reinforcement Learning?》
• 机构：Tencent Hy Team（腾讯混元团队）
• 论文链接：arXiv:2608.29296

从经典 Batch Scaling 到 LLM 强化学习

「Batch 可以有效扩大到什么程度」，并不是一个新问题。

2017 年，大 Batch 的价值首先以工程突破的方式进入人们的视野。Facebook 的 Priya Goyal、Yangqing Jia 和 Kaiming He 等人在《Accurate, Large Minibatch SGD: Training ImageNet in 1 Hour》中，通过线性放大学习率和 gradual warmup，将 ResNet-50 在 ImageNet 上的训练从 8 张 GPU、Batch 256 时约 29 小时，扩展到 256 张 GPU、Batch 8192 时 1 小时，同时保持了小 Batch 的精度。

这项工作说明，经过配套优化，更大的 Batch 确实可以把更多硬件并行转化为更短的 wall-clock time；也由此把问题从「大 Batch 能否训练」推向了「大 Batch 究竟能有效扩大到什么程度」。

2018 年，OpenAI 的 Sam McCandlish、Jared Kaplan、Dario Amodei（现任 Anthropic CEO）在《An Empirical Model of Large-Batch Training》中，研究了扩大 Batch 的收益何时开始递减，并将这个转折与梯度噪声尺度联系起来。随后，Google Brain 的 Christopher J. Shallue 和 George E. Dahl 等人进一步指出，数据并行带来的有效收益依赖于具体任务，而且公平比较不同 Batch 需要分别调整超参数。

与此密切相关的另一个问题是Batch Size Invariance：改变 Batch 后，如果配套调整学习率等超参数，模型在消耗相同数量的样本时，能否保持近似的学习轨迹？2022 年，OpenAI 的 Jacob Hilton、Karl Cobbe 和 John Schulman 对策略优化中的这一问题进行了系统研究。

那么，LLM 强化学习的特殊之处在哪里？

在监督学习中，训练样本通常已经存放在固定数据集中。取出一个更大的 Batch 后，主要新增成本发生在模型的前向传播、反向传播和参数更新；样本本身不需要由正在训练的模型现场生产。因此，经典 Batch Scaling 主要讨论的是：更大的 Batch 如何改变梯度估计、更新次数和训练并行度。

LLM 强化学习则多了一个关键闭环。作为 Agent 的 Transformer 必须先用当前策略进行自回归生成，或与环境连续交互，得到回答、轨迹和奖励；这些在线产生的数据随后才进入学习阶段，用于前向传播、反向传播和参数更新。更新后的 Transformer 又继续生成下一批数据。

换言之，模型既是生产训练数据的推理系统，也是消费这些数据的学习系统。

图 2｜LLM 强化学习的两个主要计算环节都依赖 GPU：Sampling 通过自回归推理产生回答和轨迹，Training 再用这些数据更新模型。连接两侧与 GPU 的「通道」由 Batch Size 塑造：它既影响采样侧的并发规模，也影响训练侧每次更新处理的数据量。

从系统架构看，虽然两个过程运行的是同一个 Transformer，它们对 GPU 的使用方式却不同。生成是逐 token 的自回归推理，需要反复读取模型权重、维护 KV Cache 并调度并发序列；学习则在整批 token 上执行前向和反向传播，还要保存激活、计算梯度并更新优化器状态。

因此，扩大 Batch 不是只给同一种计算多塞一些数据：它既可能通过更高并发提高生成效率，也会增加训练侧的计算和显存开销。学习曲线无法单独回答训练会快多少，生成吞吐也无法单独回答模型还需要多少样本。

两种效率，一个分析框架

对大模型训练来说，最终目标不是把 Batch 开到最大，也不是让某个局部阶段跑到最快，而是让模型尽早达到要求的能力水平。论文用Time-to-target衡量这个目标：从训练开始，到模型首次达到预设验证目标，真实经过了多少时间。

达标速度由两种效率共同决定：

• 样本效率（sample efficiency）：每条训练回答带来多少学习进展。Batch Size 及其配套超参数，会改变固定样本预算下的学习效果。
• 系统效率（system efficiency）：整条训练流水线每秒生成并处理多少训练回答，包括生成、模型更新以及等待和同步的成本。

设 J 表示验证表现，N 表示累计训练回答数，t 表示真实时间。沿着一条平滑近似的学习轨迹，有：

这个关系提供了两个视角：

Takeaway：

• Batch Size 同时影响每条回答带来的学习进展，以及系统处理这些回答的端到端吞吐。
• 只有当吞吐收益超过达标样本数的增幅时，更大 Batch 才会缩短训练时间。
• 一条更简单的实践路径是：先建立近似 Batch Size Invariance，再在这个范围内优化吞吐。

第一步：先保住每条样本的学习效果

Batch Size Invariance 有一个很直接的含义：如果 Batch 扩大一倍，模型达到相同效果所需的优化器更新次数应大致减半，因而总样本需求基本不变。

换句话说，在为不同 Batch 分别调好学习率等配套超参数后，一个合理且符合 Scaling 直觉的公平比较应满足：更多样本带来更好的性能，而累计消耗相同数量的样本时，不同 Batch 应达到近似相同的性能。

但这不会自动发生：更大 Batch 用更多回答平均梯度，却也让模型在固定样本预算内失去了一部分更新机会。要保持每样本学习效果，必须重新调节每次更新能走多远。

对 Adam 优化器，团队用平方根规则作为学习率调整的起点：

这个规则只是调参起点，需要用实验验证。论文只改变学习率，保持其他优化器超参数不变；联合调整更多超参数，可能进一步提高不变性，但这留待后续研究。

为让这一比较尽可能干净，论文在自研训练系统上评估 GRPO 和 PPO。两类实验都对每个 rollout batch 只做一次全局优化器更新，不拆 minibatch，也不重复使用 rollout，从而避免引入 minibatch size 和优化 epoch 等额外调参维度。

发现一：GRPO 在 16 倍 prompt batch 范围内近似不变

图 3｜在固定 group size 下，调整学习率后，GRPO 在一段有界范围内呈现近似对齐的学习曲线。最大的几组 Batch 开始偏离，actor 梯度范数的下降也逐渐趋缓。灰色的 ±1 个百分点区间只是视觉参考，不是置信区间。图源：论文 Figure 2。

发现二：PPO 中 actor 和 critic 的尺度不同

图 4｜PPO 的 Batch Scaling。左图为验证表现与累计训练回答数的关系；右图为 actor 和 critic 梯度范数随 Batch 的变化。样本轴排除了起始 30 步只训练 critic 的 warm-up，并从 actor 开始训练时计数。图源：论文 Figure 5。

右图则显示了 actor 和 critic 的差异。随着 Batch 增大，actor 梯度范数持续下降，在最大 Batch 处趋于平缓；critic 梯度范数则相对平坦，波动也更大。由于两者的训练目标不同，它们可能拥有不同的有效 Batch 尺度，未来可以考虑分别分析和调优。

发现三：GRPO 的 Batch 更应看总回答数

GRPO 中，扩大 Batch 有两个方向：增加 prompt 数，或者增加每个 prompt 的回答数。更大的回答 Batch 可以通过平均更多样本降低梯度估计的方差，但这两条路并不完全等价：同一 group 内的回答共享 prompt，并通过组内相对奖励构造 advantage。

图 5｜GRPO 的 group-size 对照。左图是验证表现与累计训练回答数的关系；右图是同一训练窗口内的 actor 梯度范数。实线对应每次更新 1024 条回答，虚线对应 2048 条；蓝色和橙色分别表示 group size 为 8 和 16。图源：论文 Figure 4。

论文比较了两组总 Batch 相同的配置：(P,G)=(128,8) 与 (64,16) 每次更新都使用 1024 条回答；(256,8) 与 (128,16) 则都使用 2048 条。图中以 n 表示 group size，对应本文正文里的 G。

发现四：保持学习率不变，会破坏近似不变性

实践中，增加 GPU 往往会同时扩大数据并行度和全局 Batch。如果学习率等超参数仍沿用小 Batch 的配置，训练未必会发散，甚至可能因为梯度噪声更小而显得更加平稳。但在消耗相同数量的回答时，大 Batch 完成的参数更新次数更少，模型未必能达到相同性能。

换言之，训练稳定不代表 Batch Size Invariance 仍然成立；为了追上小 Batch，它可能需要消耗更多回答。

图 6｜GRPO 的学习率对照。左图展示参考 Batch、平方根学习率调整后的翻倍 Batch，以及保持学习率不变的翻倍 Batch；右图展示达到目标所需的更新次数，并按参考配置归一化。端点区间反映的是评估 checkpoint 的粒度，不是置信区间。图源：论文 Figure 3。

右图进一步量化了更新次数。如果精确满足 Batch Size Invariance，Batch 翻倍后的达标更新数应是参考配置的 0.50 倍。学习率调整后的配置位于0.50–0.67 倍，与这一理想值基本一致；固定学习率配置则需要0.75–0.83 倍的更新。由于每次大 Batch 更新消耗两倍回答，后一区间实际对应参考配置1.50–1.67 倍的样本消耗。

Takeaway：

• 学习率重新调整后，GRPO 和 PPO 都只在一定 Batch 范围内呈现近似 Batch Size Invariance；Batch 继续增大，样本级学习曲线便开始偏离。
• GRPO 的 group-size 对照说明，在已测配置中，总回答 Batch 比 prompt 数或 group size 单独更能刻画学习行为。
• PPO 中 actor 与 critic 的梯度尺度并不相同。
• 固定学习率的对照进一步表明，训练稳定不等于不变性成立。

第二步：在固定硬件上提高吞吐

在每样本学习效果近似保持之后，下一个问题是如何更快处理这些样本。常见做法是增加 GPU，并扩大数据并行；但如果硬件数量不变，更大 Batch 是否也能加速？LLM 强化学习中的机会，来自生成与训练的计算不对称。

• 生成阶段：自回归解码每次只为一条序列生成一个新 token。并发较低时，GPU 需要反复读取模型权重，却只处理少量 token 向量。增加活跃序列数，可以让更多 token 分摊权重读取开销，因而回答数可能比生成耗时增长得更快。
• 训练阶段：回答已经生成后，前向和反向传播能同时处理大量 token 位置，已经暴露出较高并行度。在这种情况下，增大 Batch 主要是增加工作量。在论文测量的 GRPO 配置中，prompt batch 从 128 翻倍到 256 后，actor 更新时间从 101.3 秒增长到 208.6 秒，基本与 Batch 成比例增长。

一个简化的局部模型可以描述这种差异：

论文还通过 Roofline 视角进一步解释了这个直觉：Batching 会改变算术强度，也会改变执行处于内存带宽瓶颈还是计算瓶颈。上面的简化模型，概括的就是这种生成与训练的成本差异。

发现五：固定硬件上，生成耗时呈次线性增长

图 7｜在固定硬件上，更多回答不一定需要按比例增加收集时间。Batch 增长 4 倍时，PPO 的生成阶段吞吐提高到 2.29 倍，GRPO 提高到 1.36 倍。这些是生成阶段的测量，不是端到端训练加速。图源：论文 Figure 6。

图 7 同时展示了回答数和收集时间相对最小 Batch 的倍数；蓝色回答数增长得比橙色耗时更快，两者的比值就是生成阶段的吞吐收益。在 PPO 中，训练 Batch 从 256 增加到 1024，回答数增长为 4 倍，收集时间却只从 39 秒增加到 68 秒，因此回答收集吞吐提高为 4/(68/39)=2.29×。

在 GRPO 中，P 从 128 增加到 256 时，生成阶段吞吐提高 1.31 倍；增加到 512 时，提高 1.36 倍。从 256 到 512 的额外收益已很小，说明在已测范围内，可利用的生成吞吐收益正在趋于饱和。

阶段结论：

• LLM 强化学习中的生成与训练存在计算不对称：生成更容易受权重读取和内存带宽限制，而训练已经暴露出较高并行度，耗时更接近随 Batch 线性增长。
• 更大 Batch 可以让更多正在解码的序列分摊权重读取成本，因而即使在固定硬件上也可能提高生成吞吐。

第三步：结合两个 Critical Batch，找到最短 Time-to-target

上面的结果揭示了 LLM 强化学习 Batch Scaling 中两条不同的边界：

• Critical generation batch 关乎系统效率：对固定模型、解码引擎、回答长度分布和硬件分配，它标记生成吞吐接近平台的位置。在此之前，更大 Batch 能提高硬件利用率；在此之后，继续扩大只能带来很少的生成吞吐收益。
• Critical training batch 关乎样本效率：它是当前调参方案下，近似 Batch Size Invariance 的上界。在此之前，更大 Batch 达到同一目标大致需要相同数量的回答；超过这个范围后，更多回答的平均收益不再足以完全补偿更新次数减少，达标样本需求开始增加。

图 8｜两种 critical batch。左图：生成吞吐随 Batch 增大逐渐接近平台，显存容量构成独立的可行性约束。右图：经过学习率调整后，每条回答的学习效果在一段范围内近似保持，然后在更大 Batch 下下降。两条横轴相互独立，两个边界不必重合；曲线均为示意。

两个边界之所以要分开，是因为它们回答的是两个不同问题：生成侧还有多少硬件吞吐可以挖掘，以及训练侧还能否保持每条回答的学习效果。显存容量还可能在到达吞吐平台之前限制可行 Batch。但任何一个边界都不能单独给出最快配置：如果生成 Batch 和训练 Batch 沿同一个尺度 B 一起增大，它们的相对顺序会通过「样本代价 —— 端到端吞吐」之间的平衡，塑造不同的达标时间曲线。

图 9｜生成 Batch 和训练 Batch 联动扩展时，time-to-target 的两种可能情形。左图：生成吞吐先饱和，在样本效率开始下降之前出现一段近似最优的平台。右图：学习效率先下降，但吞吐收益暂时仍能补偿额外样本，因而示意最优点位于不变区间之外。曲线展示可能情形，不是对实验数据的拟合。

图 9 可以分成三个运行区间：

• 学习效果保持，吞吐仍在提高：模型达标需要的回答数基本不变，系统却能更快处理它们，因此训练时间下降。
• 学习效果保持，吞吐已经饱和：继续扩大 Batch 已经很难带来额外速度收益，因而一段 Batch 区间可能拥有相似的训练时间。
• 额外样本代价占了上风：一旦更大 Batch 需要更多回答才能达标，有限的吞吐提升就无法补偿，训练时间再次上升。

当然，两个边界的顺序也可以反过来。如果学习效率先恶化，但生成吞吐还在快速提高，那么只要吞吐收益大于额外样本代价，更大 Batch 仍可能更快。因此，最终目标是最小化 time-to-target，而不是机械地选择某一个 critical batch。

实测结果：最好配置缩短 29%，最差对照反而慢 42%

图 10｜固定硬件上的 GRPO 归一化达标时间。每个 prompt 生成 8 条回答，蓝色点使用平方根学习率 Scaling，橙色对照保持学习率不变；所有时间均以 P=128 为参考归一化，星号标出已测配置中的最优点。图源：论文 Figure 8。

学习率重新调整后，将 P 从 128 增加到 512 和 1024，归一化 time-to-target 分别降至0.74 倍和 0.71 倍。在 P=1024 时，模型与参考配置一样，用 122.88K 条保留回答达到目标，端到端吞吐提高 41%，训练时间从 11.90 小时下降到 8.42 小时，即不增加 GPU，达标时间缩短 29%。

但更大 Batch 并不总是更好。在 P=2048 和 P=4096 时，达标所需回答数增加约 60%，超过了 30% 和 36% 的吞吐收益，最终训练时间升至1.23 倍和 1.18 倍。即使在 P=256 这样的中等 Batch，如果保持学习率不变，吞吐只提高 17%，达标回答数却增加67%，训练时间变为参考配置的1.42 倍。真正决定结果的，始终是吞吐收益能否补偿额外样本代价。

将前面的判断落到实践，可以压缩为两步：

算法 1｜论文中的 Batch 调优框架：先调整学习率并估计达标样本代价，再寻找生成并发带来的端到端吞吐收益，最后按达标时间选择配置。

这项工作的意义和边界

这项工作的价值，不在于提出一种新的强化学习算法，而在于为已有的 GRPO 和 PPO 训练提供了一套简单、可扩展且 hardware-aware 的思考方式。具体来说，它带来四点启发：

• 理论认识：Batch 为什么能变大，又为什么不能一直变大？

这项研究把两个过去容易混在一起的问题拆开了：在使用同样多训练样本时，模型还能不能学得一样好；这些样本在给定硬件上能不能处理得更快。学习率 Scaling 可以在一定范围内维持近似 Batch Size Invariance，但这一规律最终会失效。若未来能提前预测这个有效范围，就有机会减少每换一个模型或任务都要重新摸索的成本。

• 训练实践：先确认学得好，再想办法跑得快。

改变 GRPO 或 PPO 的训练 Batch 时，应先配套调整学习率，检查相同累计回答数下能否达到相近效果；再提高生成并发，测量真正的端到端吞吐。换模型、换任务或换硬件后，可以复用这套调优顺序，但不能直接照搬上一次得到的 Batch 数值。

• 系统设计：分清生成和训练的成本，再决定怎样扩大 Batch。

生成阶段通常受权重读取和内存带宽限制，更高并发可以分摊这部分成本；训练阶段的算术强度更高，更大的优化器 Batch 未必带来同等收益。因此，生成 Batch 与训练 Batch 不一定要同步扩大。将两者解耦、合理安排 GPU 分工，可能进一步释放吞吐，但也要避免等待过久造成数据过时、进而破坏学习行为。

• 评估方式：不同 Batch 必须放在同一起跑线上比较。

各组先分别调好学习率等 Batch-dependent 配置，再看两个问题：用了同样多的样本，谁学得更好；达到同一个能力目标，谁花的时间更少。只比较相同更新步数后的分数，可能把「看过更多样本」误当成「学得更好」；只比较吞吐，也可能把「处理得更快」误当成「训练完成得更早」。

这些结论也有清晰边界。当模型、奖励、任务分布、训练阶段、推理引擎或执行策略发生变化时，样本效率与系统吞吐都可能改变，已经测得的有效 Batch 范围不能直接照搬。后续一个自然方向，是超越「只调学习率」的当前设定，寻找其他 Batch-dependent 超参数的迁移规则；PPO 实验还提示，actor 和 critic 可能需要不同的 Batch 尺度。

关键词： 算法 范数 样本 实验 梯度 学习率 rl训练