Federated learning (FL) enables collaborative model training across distributed clients (e.g., edge devices) without sharing raw data. Yet, FL can be computationally expensive as the clients need to train the entire model multiple times. SplitFed learning (SFL) is a recent distributed approach that alleviates computation workload at the client device by splitting the model at a cut layer into two parts, where clients only need to train part of the model. However, SFL still suffers from the \textit{client drift} problem when clients' data are highly non-IID. To address this issue, we propose MiniBatch-SFL. This algorithm incorporates MiniBatch SGD into SFL, where the clients train the client-side model in an FL fashion while the server trains the server-side model similar to MiniBatch SGD. We analyze the convergence of MiniBatch-SFL and show that the bound of the expected loss can be obtained by analyzing the expected server-side and client-side model updates, respectively. The server-side updates do not depend on the non-IID degree of the clients' datasets and can potentially mitigate client drift. However, the client-side model relies on the non-IID degree and can be optimized by properly choosing the cut layer. Perhaps counter-intuitive, our empirical result shows that a latter position of the cut layer leads to a smaller average gradient divergence and a better algorithm performance. Moreover, numerical results show that MiniBatch-SFL achieves higher accuracy than conventional SFL and FL. The accuracy improvement can be up to 24.1\% and 17.1\% with highly non-IID data, respectively.


翻译:联邦学习(FL)使得分布式客户端(如边缘设备)无需共享原始数据即可协同训练模型。然而,FL可能计算开销较大,因为客户端需要多次训练完整模型。拆分联邦学习(SFL)是近期提出的一种分布式方法,通过在切割层处将模型分为两部分来减轻客户端设备的计算负担,客户端仅需训练部分模型。然而,当客户端数据高度非独立同分布(non-IID)时,SFL仍面临明显的客户端漂移问题。为此,我们提出MiniBatch-SFL算法。该算法将小批量随机梯度下降(MiniBatch SGD)引入SFL,其中客户端以FL方式训练客户端侧模型,而服务器端采用类似MiniBatch SGD的方式训练服务器侧模型。我们分析了MiniBatch-SFL的收敛性,并证明可通过分别分析服务器侧和客户端侧模型的期望更新来获得期望损失的收敛界。服务器侧更新不依赖客户端数据集的非IID程度,且能潜在缓解客户端漂移。然而客户端侧模型依赖于非IID程度,可通过合理选择切割层进行优化。与直觉相反的是,实验结果表明:切割层位置越靠后,平均梯度散度越小,算法性能越好。此外,数值结果显示,相比传统SFL和FL,MiniBatch-SFL在高度非IID数据上的准确率提升分别可达24.1%和17.1%。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
18+阅读 · 2019年1月16日
VIP会员
最新内容
乌克兰战场背后的新武器
专知会员服务
2+阅读 · 今天4:55
基于博弈论的陆军人机协同(长文报告)
专知会员服务
5+阅读 · 今天1:54
美国陆军航空兵:以愿景引领转型
专知会员服务
3+阅读 · 今天1:38
《多域战场上反制小型无人机系统》150页
专知会员服务
14+阅读 · 6月11日
战场人工智能:增强陆地作战能力的发现与要求
以人工智能为中心的指挥控制
专知会员服务
5+阅读 · 6月11日
相关资讯
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员