Federated Learning (FL) refers to the paradigm where multiple worker nodes (WNs) build a joint model by using local data. Despite extensive research, for a generic non-convex FL problem, it is not clear, how to choose the WNs' and the server's update directions, the minibatch sizes, and the local update frequency, so that the WNs use the minimum number of samples and communication rounds to achieve the desired solution. This work addresses the above question and considers a class of stochastic algorithms where the WNs perform a few local updates before communication. We show that when both the WN's and the server's directions are chosen based on a stochastic momentum estimator, the algorithm requires $\tilde{\mathcal{O}}(\epsilon^{-3/2})$ samples and $\tilde{\mathcal{O}}(\epsilon^{-1})$ communication rounds to compute an $\epsilon$-stationary solution. To the best of our knowledge, this is the first FL algorithm that achieves such {\it near-optimal} sample and communication complexities simultaneously. Further, we show that there is a trade-off curve between local update frequencies and local minibatch sizes, on which the above sample and communication complexities can be maintained. Finally, we show that for the classical FedAvg (a.k.a. Local SGD, which is a momentum-less special case of the STEM), a similar trade-off curve exists, albeit with worse sample and communication complexities. Our insights on this trade-off provides guidelines for choosing the four important design elements for FL algorithms, the update frequency, directions, and minibatch sizes to achieve the best performance.


翻译:联邦学习( FL) 指的是多个工人节点( WNs) 使用本地数据构建联合模型的模式。 尽管大量研究发现, 一个通用的非convex FL 问题, 但仍不清楚如何选择 WNs 和服务器更新方向、 迷你batch 大小和本地更新频率, 以便 WNs使用最小数量的样本和通信回合实现理想的解决方案。 这项工作解决了上述问题, 并考虑了一种随机的计算方法, WNs在通信前进行几次本地更新。 我们发现, 当WN 和服务器的配置方向都是基于预览性势头估测器的, 算法需要$tilde_ 和服务器的更新方向时, 如何选择 WNs 和服务器的更新方向, 如何选择一个本地交易和通信周期的最小数量 。 本地交易和最小交易的版本可以实现一个稳定的解决方案。 最糟糕的 FLSL 的计算方法是, 在本地交易和最接近的版本的版本中, 最高级的版本将显示我们之间 。

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