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Faster Federated Learning With Decaying Number of Local SGD Steps

计算机科学 随机梯度下降算法 水准点(测量) 趋同(经济学) 机器学习 人工智能 算法 人工神经网络 大地测量学 经济增长 经济 地理
作者
Jed Mills,Jia Hu,Geyong Min
出处
期刊:IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:34 (7): 2198-2207 被引量:4
标识
DOI:10.1109/tpds.2023.3277367
摘要

In Federated Learning (FL) client devices connected over the internet collaboratively train a machine learning model without sharing their private data with a central server or with other clients. The seminal Federated Averaging (FedAvg) algorithm trains a single global model by performing rounds of local training on clients followed by model averaging. FedAvg can improve the communication-efficiency of training by performing more steps of Stochastic Gradient Descent (SGD) on clients in each round. However, client data in real-world FL is highly heterogeneous, which has been extensively shown to slow model convergence and harm final performance when $K > 1$ steps of SGD are performed on clients per round. In this work we propose decaying $K$ as training progresses, which can jointly improve the final performance of the FL model whilst reducing the wall-clock time and the total computational cost of training compared to using a fixed $K$. We analyse the convergence of FedAvg with decaying $K$ for strongly-convex objectives, providing novel insights into the convergence properties, and derive three theoretically-motivated decay schedules for $K$. We then perform thorough experiments on four benchmark FL datasets (FEMNIST, CIFAR100, Sentiment140, Shakespeare) to show the real-world benefit of our approaches in terms of real-world convergence time, computational cost, and generalisation performance.

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