In cross-device Federated Learning (FL) environments, scaling synchronous FL methods is challenging as stragglers hinder the training process. Moreover, the availability of each client to join the training is highly variable over time due to system heterogeneities and intermittent connectivity. Recent asynchronous FL methods (e.g., FedBuff) have been proposed to overcome these issues by allowing slower users to continue their work on local training based on stale models and to contribute to aggregation when ready. However, we show empirically that this method can lead to a substantial drop in training accuracy as well as a slower convergence rate. The primary reason is that fast-speed devices contribute to many more rounds of aggregation while others join more intermittently or not at all, and with stale model updates. To overcome this barrier, we propose TimelyFL, a heterogeneity-aware asynchronous FL framework with adaptive partial training. During the training, TimelyFL adjusts the local training workload based on the real-time resource capabilities of each client, aiming to allow more available clients to join in the global update without staleness. We demonstrate the performance benefits of TimelyFL by conducting extensive experiments on various datasets (e.g., CIFAR-10, Google Speech, and Reddit) and models (e.g., ResNet20, VGG11, and ALBERT). In comparison with the state-of-the-art (i.e., FedBuff), our evaluations reveal that TimelyFL improves participation rate by 21.13%, harvests 1.28x - 2.89x more efficiency on convergence rate, and provides a 6.25% increment on test accuracy.


翻译:在跨设备的联邦学习环境中,规模化同步联邦学习方法是有挑战性的,因为一个慢速设备会阻碍整个训练过程。此外,由于系统异构性和间歇性连接,每个客户端能够加入训练的可用性随时间高度变化。最近的异步联邦学习方法(例如FedBuff)已被提出以克服这些问题,允许较慢的用户基于过期模型在本地训练并在准备就绪时贡献到聚合。然而,我们通过实验证明,这种方法可能会导致训练精度显著降低以及收敛速度变慢。主要原因是快速设备对多轮聚合有更多贡献,而其他设备更加间歇性或根本不参与,并带有过期的模型更新。为了克服这一障碍,我们提出了TimelyFL,这是一种异构感知的异步联邦学习框架,具备自适应的部分训练。在训练过程中,TimelyFL根据每个客户端的实时资源能力调整本地训练工作量,旨在允许更多可用客户端加入全球更新而不会过期。我们通过在各种数据集(例如CIFAR-10、Google语音和Reddit)和模型(例如ResNet20、VGG11和ALBERT)上进行大量实验来展示TimelyFL的性能优势。与最先进的方法(即FedBuff)相比,我们的评估显示TimelyFL提高了参与率21.13%,收获了1.28倍-2.89倍的收敛速度效率,并提供了6.25%的测试准确度增量。

0
下载
关闭预览

相关内容

联邦学习(Federated Learning)是一种新兴的人工智能基础技术,在 2016 年由谷歌最先提出,原本用于解决安卓手机终端用户在本地更新模型的问题,其设计目标是在保障大数据交换时的信息安全、保护终端数据和个人数据隐私、保证合法合规的前提下,在多参与方或多计算结点之间开展高效率的机器学习。其中,联邦学习可使用的机器学习算法不局限于神经网络,还包括随机森林等重要算法。联邦学习有望成为下一代人工智能协同算法和协作网络的基础。
博士论文《联邦学习仿真器》221页,米兰理工大学
专知会员服务
30+阅读 · 2023年3月14日
最新《联邦学习Federated Learning》报告,Federated Learning
专知会员服务
86+阅读 · 2020年12月2日
【Google】平滑对抗训练,Smooth Adversarial Training
专知会员服务
48+阅读 · 2020年7月4日
【Google论文】ALBERT:自我监督学习语言表达的精简BERT
专知会员服务
23+阅读 · 2019年11月4日
GNN 新基准!Long Range Graph Benchmark
图与推荐
0+阅读 · 2022年10月18日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
BERT/Transformer/迁移学习NLP资源大列表
专知
19+阅读 · 2019年6月9日
强化学习三篇论文 避免遗忘等
CreateAMind
19+阅读 · 2019年5月24日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月22日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
17+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
42+阅读 · 2019年1月3日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013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 · 2011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
1+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年6月1日
Arxiv
20+阅读 · 2022年10月10日
VIP会员
相关资讯
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013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 · 2011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
1+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员