Large convolutional neural networks (CNN) can be difficult to train in the differentially private (DP) regime, since the optimization algorithms require a computationally expensive operation, known as the per-sample gradient clipping. We propose an efficient and scalable implementation of this clipping on convolutional layers, termed as the mixed ghost clipping, that significantly eases the private training in terms of both time and space complexities, without affecting the accuracy. The improvement in efficiency is rigorously studied through the first complexity analysis for the mixed ghost clipping and existing DP training algorithms. Extensive experiments on vision classification tasks, with large ResNet, VGG, and Vision Transformers, demonstrate that DP training with mixed ghost clipping adds $1\sim 10\%$ memory overhead and $<2\times$ slowdown to the standard non-private training. Specifically, when training VGG19 on CIFAR10, the mixed ghost clipping is $3\times$ faster than state-of-the-art Opacus library with $18\times$ larger maximum batch size. To emphasize the significance of efficient DP training on convolutional layers, we achieve 96.7\% accuracy on CIFAR10 and 83.0\% on CIFAR100 at $\epsilon=1$ using BEiT, while the previous best results are 94.8\% and 67.4\%, respectively. We open-source a privacy engine (\url{https://github.com/JialinMao/private_CNN}) that implements DP training of CNN with a few lines of code.


翻译:大型连锁神经网络(CNN)可能很难在不同的私人(DP)制度下进行培训,因为优化算法需要计算成本昂贵的操作,称为每模版梯度剪切。我们建议高效和可扩展地执行这一关于共生层的剪切,称为混合鬼剪切,这大大便利了私人在时间和空间两方面的复杂程度两方面的培训,同时不影响准确性。通过对混合私人幽灵剪切除和现有DP培训算法的第一次复杂分析,对效率的提高进行了严格研究。关于视觉分类任务的广泛实验,包括大型ResNet、VGG和愿景变异器,表明混合幽灵剪切切的DP培训将增加1西姆10元的记忆管理费和1美元<2美元减速到标准非私人培训。具体地说,在对VGGG19进行CFAR10培训时,混合幽灵剪切比目前最先进的开放图书馆图书馆要快3美元(以18美元计算最大分批量的Opacus 图书馆)。为了强调在共生关系层进行高效的DP培训的重要性,我们用98_MAR1和BAFAR1的CRA10的精度。

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