Federated Learning (FL) is a machine learning paradigm to distributively learn machine learning models from decentralized data that remains on-device. Despite the success of standard Federated optimization methods, such as Federated Averaging (FedAvg) in FL, the energy demands and hardware induced constraints for on-device learning have not been considered sufficiently in the literature. Specifically, an essential demand for on-device learning is to enable trained models to be quantized to various bit-widths based on the energy needs and heterogeneous hardware designs across the federation. In this work, we introduce multiple variants of federated averaging algorithm that train neural networks robust to quantization. Such networks can be quantized to various bit-widths with only limited reduction in full precision model accuracy. We perform extensive experiments on standard FL benchmarks to evaluate our proposed FedAvg variants for quantization robustness and provide a convergence analysis for our Quantization-Aware variants in FL. Our results demonstrate that integrating quantization robustness results in FL models that are significantly more robust to different bit-widths during quantized on-device inference.


翻译:联邦学习联合会(FL)是一个分配从分散的数据中分散学习机器学习模型的机械学习模式的机械学习模式,这种模式仍然是现成的。尽管标准联邦优化方法(如FL的FedAvg)取得了成功,但文献中并未充分考虑对节能学习的能源需求和硬件限制。具体地说,对在线学习的基本需求是,根据联邦的能源需求和各种硬件设计,使经过培训的模型量化为各种位宽。在这项工作中,我们引入了多种组合平均算法的变种,以训练神经网络的精度可进行量化。这种网络可以量化为各种位宽,而完全精确的模型精确度则只有有限的减少。我们在标准FL基准上进行了广泛的实验,以评价我们提议的FDAvg四分解稳健度变方,并为我们在FL的量化-软件变方提供趋同分析。我们的结果表明,FL模型中的量化稳度稳度结果在量化过程中大大稳健到不同的位宽度。

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