Federated learning (FL) is a privacy-preserving paradigm where multiple participants jointly solve a machine learning problem without sharing raw data. Unlike traditional distributed learning, a unique characteristic of FL is statistical heterogeneity, namely, data distributions across participants are different from each other. Meanwhile, recent advances in the interpretation of neural networks have seen a wide use of neural tangent kernels (NTKs) for convergence analyses. In this paper, we propose a novel FL paradigm empowered by the NTK framework. The paradigm addresses the challenge of statistical heterogeneity by transmitting update data that are more expressive than those of the conventional FL paradigms. Specifically, sample-wise Jacobian matrices, rather than model weights/gradients, are uploaded by participants. The server then constructs an empirical kernel matrix to update a global model without explicitly performing gradient descent. We further develop a variant with improved communication efficiency and enhanced privacy. Numerical results show that the proposed paradigm can achieve the same accuracy while reducing the number of communication rounds by an order of magnitude compared to federated averaging.


翻译:联邦学习(FL)是一种隐私保护模式,许多参与者共同解决机器学习问题而不分享原始数据。与传统的分布式学习不同,FL的一个独特特点是统计差异性,即参与者之间的数据分布是不同的。与此同时,神经网络的最新解释进展显示,神经网络广泛使用神经红心内核(NTKs)进行趋同分析。在本文中,我们提出了一个新的FL模式,由NTK框架授权。该模式通过传送比传统FL模式更清晰的更新数据来解决统计差异性的挑战。具体地说,参与者上传了抽样的Jacobian矩阵,而不是模型重量/梯度。服务器随后构建了一个实验性内核矩阵,以更新全球模型,而不明确体现梯度下降。我们进一步开发了一个提高通信效率和增强隐私的变式。数字结果显示,拟议的模式可以达到同样的准确性,同时减少通信轮次的数量,使之与平均度相比,以数量顺序减少通信轮数。

0
下载
关闭预览

相关内容

不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
70+阅读 · 2022年6月28日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
167+阅读 · 2019年10月11日
机器学习入门的经验与建议
专知会员服务
90+阅读 · 2019年10月10日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
39+阅读 · 2019年10月9日
征稿 | International Joint Conference on Knowledge Graphs (IJCKG)
开放知识图谱
2+阅读 · 2022年5月20日
IEEE ICKG 2022: Call for Papers
机器学习与推荐算法
3+阅读 · 2022年3月30日
ACM MM 2022 Call for Papers
CCF多媒体专委会
5+阅读 · 2022年3月29日
IEEE TII Call For Papers
CCF多媒体专委会
3+阅读 · 2022年3月24日
ACM TOMM Call for Papers
CCF多媒体专委会
2+阅读 · 2022年3月23日
AIART 2022 Call for Papers
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年2月13日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
23+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
25+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
41+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2008年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2022年8月2日
Arxiv
0+阅读 · 2022年7月29日
Arxiv
13+阅读 · 2021年7月20日
Arxiv
18+阅读 · 2020年7月13日
VIP会员
相关资讯
征稿 | International Joint Conference on Knowledge Graphs (IJCKG)
开放知识图谱
2+阅读 · 2022年5月20日
IEEE ICKG 2022: Call for Papers
机器学习与推荐算法
3+阅读 · 2022年3月30日
ACM MM 2022 Call for Papers
CCF多媒体专委会
5+阅读 · 2022年3月29日
IEEE TII Call For Papers
CCF多媒体专委会
3+阅读 · 2022年3月24日
ACM TOMM Call for Papers
CCF多媒体专委会
2+阅读 · 2022年3月23日
AIART 2022 Call for Papers
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年2月13日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
23+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
25+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
41+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2008年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员