RAG - Reranker 리랭커의 개념 탐색과 실습

Reranker

Reranker 의 개념

처음 검색된 문서에 대해 다시 점수를 매기고 재정렬하는 과정

RAG 에서 Reranker 의 필요성

RAG 는 LLM 의 단점 (환각, 비 최신성 등)을 보완하기 위함
특히 금융, 의료, 법률 등 정확성이 중요한 환경에서는 잘못된 정보가 큰 문제로 이어짐.
따라서 정보 검색의 품질을 높이는 것이 RAG 서비스의 품질을 결정하는 중요한 요인.

(1) 질문의 의도와 검색 결과의 관련성 검토

앞서 수행된 검색 결과가 질문의 실제 의도를 정확히 반영하지 못할 수 있음
따라서 질문의 의도와 관련성이 높은지 재검토, 재정렬이 필요

(2) LLM 에 검색 결과를 적절한 순서대로 제공

LLM에 검색 결과를 제겅할 때, 관련성 높은 정보가 앞단에 있을 수록 답변 품질 좋음
중요한 정보가 중간에 있으면, LLM 이 이를 제대로 반영하지 못하는 Lost in the Middle 현상이 발생

참고 : Lost in the Middle
언어 모델이 주어진 정보를 어떻게 활용하는지 분석한 논문에서 나온 개념 관련 정보가 앞이나 뒤에 있을 때 성능이 좋으며, 중간에 있을 때 성능이 최악

Lost in the Middle: How Language Models Use Long Contexts

Reranker 의 목표

검색 결과의 정확도, 질문과의 관련성을 높이기 위함
또한 관련성이 높은 자료를 앞 순위에 배치

Reranker 의 종류

1️⃣ Cross-Encoder 방식
2️⃣ LLM as a Reranker 방식

1️⃣ Cross-Encoder 방식

가장 전통적인 리랭킹 방식 중 하나
질의(Query)와 문서(Documents)를 하나의 문맥으로 결합해 모델(보통 BERT)에 입력으로 제공하고
이를 통해 질의와 문서 사이의 정확한 맥락적 연관성을 세밀하게 파악해 보다 정밀한 평가를 하는 방식

Bi-Encoder 와 Cross-Encoder

alt text

(1) Bi-Encoder
Bi-Encoder 는 질문과 문서에 대해 독립적으로 임베딩을 수행
미리 임베딩을 하여 벡터를 저장해놓은 뒤, 검색시에 유사도 비교 수행
미리 임베딩이 되어있고, 유사도 계산만 하면 되므로 속도가 빠름
일반적인 Retriever에서 벡터 검색의 동작 원리에 해당
(2) Cross-Encoder
Cross-Encoder 는 질문과 문서를 결합해 하나의 입력으로 임베딩 수행
질문과 문서를 동시에 분석함으로써 Bi에 비해 더욱 정확한 유사도 측정 가능
수행시 임베딩을 해야하므로 속도가 느림
전통적인 Reranking 작업 동작 원리에 해당

애초에 검색시 Cross-Encoder 방식을 사용하면 Reranker 가 없어도 되지 않을까?

애초에 Cross-Encoder로 검색을 수행하면 처음부터 관련성 높은 문서 얻을 수 있음
하지만 Cross-Encoder 는 질문과 모든 문서들 간의 임베딩과 유사도 계산이 요구됨
이 연산은 유사도 계산만 하는 Bi-Encoder 에 비해 굉장히 오래 걸림
Sentence-BERT 에서는 4천만개 문서에 대해 V100 GPU기반으로 수행했을 때 약 50시간이 소요 된다고 보고함.
따라서 처음부터 많은 문서에 대한 검색을 Cross-Encoder로 수행하는 것은 사용성과 효율성이 떨어짐

Two-Stage 전략

따라서 RAG 에서는 2단계 전략(Two-Stage)를 적용함
1단계 - 검색시 : 속도가 빠른 Bi-Encoder 로 많은 질의와 후보 문서간 유사도 비교
2단계 - 리랭킹 : Cross-Encoder로 검색해온 문서들과 질의 사이 관련성 재평가
Milvus에서 취한 양자화 + 정제기 전략과 유사

2️⃣ LLM as a Reranker

LLM 자체를 리랭커로 활용해, 질의와 후보 문서들간 관계성을 직접 평가
대표적으로 Pointwise 방식과 Listwise 방식
장점1 Zero-shot 리랭킹 가능 : 사전 학습 없이도 리랭킹 가능
장점2 복잡한 언어 패턴과 은유, 추론 등 고차원 언어 능력 활용 가능
단점 : 아직까지는 실시간 답변이 어려워 사용이 제한적

(1) Pointwise

alt text

각각의 후보 문서를 독립적으로 평가해 관련성 점수를 매긴다.
관련성 점수를 매기는 방법은 아래 두 가지 방법이 있다.

LLM 의 토큰 생성 확률값을 이용한다.

LLM에게 직접 점수를 산출해달라고 한다.

1. 토큰 생성 확률값을 이용

이 경우, 확률값은 LLM이 사용자가 요청한 단어를 생성할 확률을 이용한다.
LLM에게 문서가 주어진 질의에 적절한 참조 문서인지 Yes 또는 No로 답변하도록 요청한 뒤,
Yes로 분류될 확률 p를 관련성 점수로 사용하는 것이다.
이 때의 확률 p 는 LLM이 출력 토큰을 생성할 때 내부적으로 계산하는 log probability 기반으로 계산한다.
LLM 에게 보내는 프롬프트는 아래와 같이 구성할 수 있다.
이후 나올 실습 코드를 통해 확인하면 이해하기 쉽다.

prompt = "참조 문서가 주어진 쿼리에 대한 적절한 답변인지 Yes 또는 No로 답변하세요."
query = "LLM은 리랭커로 어떻게 활용될 수 있나요?"
document = "Retriever는 질문에 대한 후보 응답을 생성하는 역할을 한다."

log probability
LLM 이 생성할 다음 토큰에 대한 확률분포 P(Wt | Context)를 뜻함
Softmax 함수를 통해 얻어지며, log probability 값으로도 제공 가능

2. LLM에게 직접 점수 산출 요청

앞의 방식보다 비교적 간단한 방식이다.
LLM에게 문서가 주어진 질의에 적절한 참조 문서인지 X점 만점으로 평가해달라고 한다.
그리고 평가 점수를 관련성의 척도로 삼아 리랭킹을 하는 방법이다.

prompt = "참조 문서가 주어진 쿼리에 대한 적절한 답변인지 100점 만점으로 관련성을 평가해주세요."
query = "LLM은 리랭커로 어떻게 활용될 수 있나요?"
document = "Retriever는 질문에 대한 후보 응답을 생성하는 역할을 한다."

(2) Listwise

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Listwise 는 Pointwise와 달리 참조문서를 모두 한 번에 LLM에게 제공한다.
한 번에 제공한 후, 전체 후보 문서를 관련성에 따라 순서를 재정렬 해달라고 요청한다.

prompt = "아래 문서들을 주어진 쿼리와의 관련성이 높은 순서대로 순위를 매겨 답변하세요."
query = "LLM은 리랭커로 어떻게 활용될 수 있나요?"
documents = '''
    [A] LLM은 인간 수준의 의미 이해를 기반으로 질문과 문서 간의 깊은 연관성을 파악할 수 있다.
    [B] Retriever는 질문과 유사한 벡터를 기준으로 문서를 추출한다.
    [C] Cross-Encoder는 질의와 문서를 함께 처리해 높은 정확도를 보인다.
    '''

Listwise는 별도의 확률 계산 없이 LLM 이 출력으로 준 순서대로 문서를 리랭킹하면 되어 편리함
하지만 LLM 은 처리할 수 있는 토큰 수에 제한이 있으므로, 한 번에 평가할 수 있는 문서 수가 제한됨
이를 극복하고자 슬라이딩 윈도우 방식을 사용하기도 함

슬라이딩 윈도우(Sliding Window) 방식
-전체 N 개의 후보 문서들이 있다고 가정할 때
-윈도우 크기 w, 스텝 크기 s로 이동하며 점진적으로 리랭킹

비교

항목	Pointwise	Listwise
평가 방식	각 문서를 개별적으로 평가하여 관련성 점수 부여	전체 문서 집합을 함께 입력하여 순위를 매김
LLM 입력	쿼리 + 단일 문서	쿼리 + 복수 문서 (리스트 전체)
출력 형식	관련성 점수 또는 “Yes/No”	관련 문서 순서 (예: A > C > B)
장점	- 세밀한 점수 산정 가능 - LLM 토큰 확률 활용 가능	- 직관적인 결과 출력 - 문서 간 상대 비교에 최적화 - 추가 점수 해석 없이 바로 순위 생성 가능
단점	- 문서 간 상대 비교가 어려울 수도 있음 - 토큰 확률 계산 해석 필요	- 토큰 수 제한 있음 - 문서 수가 많을수록 처리 어려움

실습

실습 내용

탐색한 Reranking 방식을 직접 수행하봄
Cross-Encoder 방식, LLM as a Reranker 방식 실습
Cross-Encoder : Huggingface에 있는 BAAI/bge-reranker-v2-m3 모델
LLM as a Reranker : OpenAI ChatGPT API 사용

리랭킹 질의 및 검색 결과 문서 데이터셋

query = 'LLM을 리랭커로 사용할 때 장점은 무엇인가요?'
search_documents = [
    "[1] LLM은 여러 문서 중 핵심 정보를 추출하여 요약할 수 있다.",
    "[2] 사전학습된 LLM은 다양한 도메인 지식에 기반한 추론이 가능하다.",
    "[3] LLM은 질의와 문서 간의 의미적 유사성을 깊이 있게 파악할 수 있다.",
    "[4] LLM은 기존 리랭커보다 더 복잡한 문맥을 이해할 수 있는 능력을 갖고 있다.",
    "[5] LLM은 Zero-shot 환경에서도 강력한 관련성 판단을 수행할 수 있다.",
    "[6] Cross-Encoder 방식의 LLM은 질문과 문서를 동시에 고려한다.",
    "[7] LLM은 사용자 질의의 숨겨진 의도까지 파악해 정교한 평가가 가능하다.",
    "[8] 전통적인 BM25 기반 리랭커는 단어 수준 유사도에 한정된다.",
    "[9] Transformer 기반 구조는 멀티턴 질의에도 높은 정확도를 보인다.",
    "[10] 기존 Cross-Encoder는 유연성에서 LLM에 비해 제한적이다.",
    "[11] LLM은 구조화되지 않은 자유 문장도 효과적으로 분석할 수 있다.",
    "[12] LLM은 질의와 문서 간의 상호작용을 문맥 수준에서 학습한다.",
    "[13] 단어 일치보다 의미 일치에 기반한 리랭킹이 가능하다.",
    "[14] LLM은 복잡한 개념 연결 관계도 이해할 수 있다.",
    "[15] 기존 리랭커는 사전 정의된 feature에 의존하는 경우가 많다.",
    "[16] LLM은 이전 학습 데이터 외의 질문에도 유연하게 대응한다.",
    "[17] LLM은 하나의 프롬프트로 여러 유형의 판단을 수행할 수 있다.",
    "[18] 사용자의 질문 의도와 답변 사이의 간극을 줄이는 데 효과적이다.",
    "[19] 대규모 파라미터를 가진 LLM은 문맥 분별력이 뛰어나다.",
    "[20] LLM은 수치 기반 점수보다 자연어 기반 판단에 더 적합하다.",
]

Cross-Encoder 방식

from transformers import AutoModelForSequenceClassification, AutoTokenizer
import torch

tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained('BAAI/bge-reranker-v2-m3')
model = AutoModelForSequenceClassification.from_pretrained('BAAI/bge-reranker-v2-m3')
model.eval()

# 질의와 문서를 하나의 리스트에 묶어 준비
# 아래에서 각각의 질의-문서 쌍이 하나의 입력으로 결합됨
pairs = [[query, document] for document in search_documents]

# (1) 질의와 문서를 결합하여 하나의 텍스트로 토크나이징
# (2) padding 및 truncation을 적용하여 모델 입력 형식으로 변환
with torch.no_grad():    
    inputs = tokenizer(pairs, padding=True, truncation=True, return_tensors='pt', max_length=512)    
    scores = model(**inputs, return_dict=True).logits.view(-1, ).float() # 질의와 문서가 얼마나 관련 있는지 점수(logit)를 계산

# score 기준 관련성이 높은 순서대로 정렬해서 출력
# score 가 높을수록 질의와 문서 간 관련성이 높다는 의미
# 양수 : 관련성 있음 / 0 근처 : 중립적이거나 관련성 불확실 / 음수 : 관련성이 낮거나 없음
sim_score_result = [[sentence, score] for sentence, score in zip(search_documents, scores)]
sim_score_result = sorted(sim_score_result, key=lambda x:x[1], reverse=True)
sim_score_result

# 결과
[4] LLM은 기존 리랭커보다 더 복잡한 문맥을 이해할 수 있는 능력을 갖고 있다.     tensor(1.5858)
[19] 대규모 파라미터를 가진 LLM은 문맥 분별력이 뛰어나다.                   tensor(-3.5372)
[7] LLM은 사용자 질의의 숨겨진 의도까지 파악해 정교한 평가가 가능하다.          tensor(-4.7256)
[15] 기존 리랭커는 사전 정의된 feature에 의존하는 경우가 많다.              tensor(-4.9283)
[20] LLM은 수치 기반 점수보다 자연어 기반 판단에 더 적합하다.               tensor(-5.3553)
[1] LLM은 여러 문서 중 핵심 정보를 추출하여 요약할 수 있다.                 tensor(-5.3571)
[10] 기존 Cross-Encoder는 유연성에서 LLM에 비해 제한적이다.             tensor(-5.4176)
[17] LLM은 하나의 프롬프트로 여러 유형의 판단을 수행할 수 있다.             tensor(-5.8128)
[11] LLM은 구조화되지 않은 자유 문장도 효과적으로 분석할 수 있다.            tensor(-5.8304)
[16] LLM은 이전 학습 데이터 외의 질문에도 유연하게 대응한다.                tensor(-5.8559)
[5] LLM은 Zero-shot 환경에서도 강력한 관련성 판단을 수행할 수 있다.         tensor(-6.0521)
[13] 단어 일치보다 의미 일치에 기반한 리랭킹이 가능하다.                    tensor(-6.1061)
[3] LLM은 질의와 문서 간의 의미적 유사성을 깊이 있게 파악할 수 있다.         tensor(-6.5490)
[2] 사전학습된 LLM은 다양한 도메인 지식에 기반한 추론이 가능하다.           tensor(-6.7263)
[8] 전통적인 BM25 기반 리랭커는 단어 수준 유사도에 한정된다.                tensor(-6.8096)
[14] LLM은 복잡한 개념 연결 관계도 이해할 수 있다.                      tensor(-7.3066)
[6] Cross-Encoder 방식의 LLM은 질문과 문서를 동시에 고려한다.           tensor(-7.8556)
[12] LLM은 질의와 문서 간의 상호작용을 문맥 수준에서 학습한다.              tensor(-8.0627)
[18] 사용자의 질문 의도와 답변 사이의 간극을 줄이는 데 효과적이다.          tensor(-8.6381)
[9] Transformer 기반 구조는 멀티턴 질의에도 높은 정확도를 보인다.          tensor(-10.2660)

LLM as a Reranker 방식

Poinstwise

# openai 0.28 버전 사용. (1.0 이상은 logprobs 옵션 사라짐)
import openai
import dotenv
import os
import math

env_path = '/Users/jongya/Desktop/github/shopping_llm_recommendation/lab/reranker/jupyter/.env'
dotenv.load_dotenv(env_path)
openai.api_key = os.getenv('OPENAI_API_KEY')


def pointwise(query, document):
    response = openai.ChatCompletion.create(
        model="gpt-4o",
        messages=[
            {"role": "system", "content": "질문과 문서 간 관련성 판단해 Yes 나 No 중 하나로 답변하세요."},
            {"role": "user", "content": f"질문: {query} 문서: {document}"}
        ],
        logprobs=True,  # 핵심 옵션!
        max_tokens=10
    )
    return response['choices'][0]['logprobs']

# 로그 확률 값 확인
result_list = []
for document in search_documents:
    logprobs = pointwise(query = query, document = document)
    # 답변 (Yes / No)
    reply = logprobs['content'][0]['token'] if logprobs['content'][0]['token'] != '\\xeb\\x8b' else 'No'
    # Yes = 1 / No = -1
    sign = 1 if logprobs['content'][0]['token'] == 'Yes' else -1
    # 확률값 p = e^log(p)
    p = math.exp(logprobs['content'][0]['logprob'])
    # 결과 적재
    result_list.append([
        document,
        reply,
        p,
        p * sign
    ])

# 결과 정렬
result_list = sorted(result_list, key=lambda x:x[3], reverse=True)

# 출력
for result in result_list:
    print(result[0], result[3])

# 결과
[3] LLM은 질의와 문서 간의 의미적 유사성을 깊이 있게 파악할 수 있다. 0.9999998063873693
[4] LLM은 기존 리랭커보다 더 복잡한 문맥을 이해할 수 있는 능력을 갖고 있다. 0.999999448776502
[13] 단어 일치보다 의미 일치에 기반한 리랭킹이 가능하다. 0.999999448776502
[7] LLM은 사용자 질의의 숨겨진 의도까지 파악해 정교한 평가가 가능하다. 0.999999091165777
[19] 대규모 파라미터를 가진 LLM은 문맥 분별력이 뛰어나다. 0.9999989719621736
[5] LLM은 Zero-shot 환경에서도 강력한 관련성 판단을 수행할 수 있다. 0.9999984951481292
[12] LLM은 질의와 문서 간의 상호작용을 문맥 수준에서 학습한다. 0.9999984951481292
[6] Cross-Encoder 방식의 LLM은 질문과 문서를 동시에 고려한다. 0.9999858596583402
[2] 사전학습된 LLM은 다양한 도메인 지식에 기반한 추론이 가능하다. 0.9999720323248966
[17] LLM은 하나의 프롬프트로 여러 유형의 판단을 수행할 수 있다. 0.9997378641193743
[10] 기존 Cross-Encoder는 유연성에서 LLM에 비해 제한적이다. 0.9992882983079844
[20] LLM은 수치 기반 점수보다 자연어 기반 판단에 더 적합하다. 0.9980715604067301
[11] LLM은 구조화되지 않은 자유 문장도 효과적으로 분석할 수 있다. 0.9975256269669018
[18] 사용자의 질문 의도와 답변 사이의 간극을 줄이는 데 효과적이다. 0.9959293105107246
[14] LLM은 복잡한 개념 연결 관계도 이해할 수 있다. 0.9820125102859462
[16] LLM은 이전 학습 데이터 외의 질문에도 유연하게 대응한다. 0.7772967623259942
[15] 기존 리랭커는 사전 정의된 feature에 의존하는 경우가 많다. -0.817571080607408
[1] LLM은 여러 문서 중 핵심 정보를 추출하여 요약할 수 있다. -0.9241343417785254
[9] Transformer 기반 구조는 멀티턴 질의에도 높은 정확도를 보인다. -0.9914205538951522
[8] 전통적인 BM25 기반 리랭커는 단어 수준 유사도에 한정된다. -0.9992891321213027

Listwise

import openai
import dotenv
import os
import math

env_path = '/Users/jongya/Desktop/github/shopping_llm_recommendation/lab/reranker/jupyter/.env'
dotenv.load_dotenv(env_path)
openai.api_key = os.getenv('OPENAI_API_KEY')


def listwise(query, documents:str):
    response = openai.ChatCompletion.create(
        model="gpt-4o",
        messages=[
            {"role": "system", "content": '''아래 문서들을 주어진 쿼리와의 관련성이 높은 순서대로 순위를 매겨 답변하세요.
                                             (1) 별다른 설명은 넣지 마세요.
                                             (2) 주어지는 모든 문서(20개)에 대해 순서를 매겨 답변해야 합니다.
                                             (3) [20] > [10] > [9] 와 같이 답변하세요.'''},
            {"role": "user", "content": f"질문: {query} \n\n 문서: \n{documents}"}
        ],
        max_tokens=1000
    )
    return response['choices']

# 넣을 문서 텍스트로 변환
documents = ''
for document in search_documents:
    documents += document + '\n'

# 리랭킹 요청
result = listwise(query, documents)

# 결과
result[0]['message']['content']

# 출력
[20] > [1] > [2] > [3] > [4] > [5] > [6] > [7] > [8] >
[9] > [10] > [11] > [12] > [13] > [14] > [15] > [16] >
[17] > [18] > [19]

Reference

https://devocean.sk.com/blog/techBoardDetail.do?ID=167335&boardType=techBlog
Lost in the Middle: How Language Models Use Long Contexts
https://wikidocs.net/253434
https://aws.amazon.com/ko/blogs/tech/korean-reranker-rag/
Sentence-BERT: Sentence Embeddings using Siamese BERT-Networks

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RAG - Reranker 리랭커의 개념 탐색과 실습

Jongya

Reranker

Reranker 의 개념

RAG 에서 Reranker 의 필요성

(1) 질문의 의도와 검색 결과의 관련성 검토

(2) LLM 에 검색 결과를 적절한 순서대로 제공

Reranker 의 목표

Reranker 의 종류

Reranker 의 종류

1️⃣ Cross-Encoder 방식

Bi-Encoder 와 Cross-Encoder

애초에 검색시 Cross-Encoder 방식을 사용하면 Reranker 가 없어도 되지 않을까?

Two-Stage 전략

2️⃣ LLM as a Reranker

(1) Pointwise

(2) Listwise

비교

실습

실습 내용

리랭킹 질의 및 검색 결과 문서 데이터셋

Cross-Encoder 방식

LLM as a Reranker 방식

Poinstwise

Listwise

Reference

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