We present a theoretical study of server-side optimization in federated learning. Our results are the first to show that the widely popular heuristic of scaling the client updates with an extra parameter is very useful in the context of Federated Averaging (FedAvg) with local passes over the client data. Each local pass is performed without replacement using Random Reshuffling, which is a key reason we can show improved complexities. In particular, we prove that whenever the local stepsizes are small, and the update direction is given by FedAvg in conjunction with Random Reshuffling over all clients, one can take a big leap in the obtained direction and improve rates for convex, strongly convex, and non-convex objectives. In particular, in non-convex regime we get an enhancement of the rate of convergence from $\mathcal{O}\left(\varepsilon^{-3}\right)$ to $\mathcal{O}\left(\varepsilon^{-2}\right)$. This result is new even for Random Reshuffling performed on a single node. In contrast, if the local stepsizes are large, we prove that the noise of client sampling can be controlled by using a small server-side stepsize. To the best of our knowledge, this is the first time that local steps provably help to overcome the communication bottleneck. Together, our results on the advantage of large and small server-side stepsizes give a formal justification for the practice of adaptive server-side optimization in federated learning. Moreover, we consider a variant of our algorithm that supports partial client participation, which makes the method more practical.


翻译:我们展示了在联盟学习中服务器端优化的理论性研究。 我们的结果首先显示, 以额外的参数扩大客户更新的广受欢迎的超常性在客户数据上使用本地传球的超文本化( FedAvg ) 中非常有用。 每个本地传球都不使用随机重排进行替换, 这是我们可以显示复杂性改进的关键原因 。 具体地说, 我们证明, 只要本地的阶梯小, 更新方向由 FedAvg 与随机重整客户一起提供, 就可以在所获得的方向上大跃跃跃进, 并且提高 convex、 强烈的 convex 和非 convex 目标的速率。 特别是在非 convex 制度下, 我们不用随机重整, 就能提高 $macal refall 的速率 。 本地的阶梯可以让本地的阶梯(\ varepslocklocklation) 进入本地的阶梯 。 我们的阶梯(\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\

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