FedZKT: Zero-Shot Knowledge Transfer towards Resource-Constrained Federated Learning with Heterogeneous On-Device Models

计算机科学 稳健性(进化) 联合学习 发电机(电路理论) 移动设备 资源(消歧) 分布式计算 机器学习 人工智能 计算机网络 生物化学 化学 功率(物理) 物理 量子力学 基因 操作系统
作者
Lan Zhang,Dapeng Wu,Xiaoyong Yuan
标识
DOI:10.1109/icdcs54860.2022.00094
摘要

Federated learning enables multiple distributed devices to collaboratively learn a shared prediction model without centralizing their on-device data. Most of the current algorithms require comparable individual efforts for local training with the same structure and size of on-device models, which, however, impedes participation from resource-constrained devices. Given the widespread yet heterogeneous devices nowadays, in this paper, we propose an innovative federated learning framework with heterogeneous on-device models through Zero-shot Knowledge Transfer, named by FedZKT. Specifically, FedZKT allows devices to independently determine the on-device models upon their local resources. To achieve knowledge transfer across these heterogeneous on-device models, a zero-shot distillation approach is designed without any prerequisites for private on-device data, which is contrary to certain prior research based on a public dataset or a pre-trained data generator. Moreover, this compute-intensive distillation task is assigned to the server to allow the participation of resource-constrained devices, where a generator is adversarially learned with the ensemble of collected on-device models. The distilled central knowledge is then sent back in the form of the corresponding on-device model parameters, which can be easily absorbed on the device side. Extensive experimental studies demonstrate the effectiveness and robustness of FedZKT towards on-device knowledge agnostic, on-device model heterogeneity, and other challenging federated learning scenarios, such as heterogeneous on-device data and straggler effects.
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