联合学习（FL）框架使Edge客户能够协作学习共享的推理模型，同时保留对客户的培训数据的隐私。最近，已经采取了许多启发式方法来概括集中化的自适应优化方法，例如SGDM，Adam，Adagrad等，以提高收敛性和准确性的联合设置。但是，关于在联合设置中的位置以及如何设计和利用自适应优化方法的理论原理仍然很少。这项工作旨在从普通微分方程（ODE）的动力学的角度开发新的自适应优化方法，以开发FL的新型自适应优化方法。首先，建立了一个分析框架，以在联合优化方法和相应集中优化器的ODES分解之间建立连接。其次，基于这个分析框架，开发了一种动量解耦自适应优化方法FedDA，以充分利用每种本地迭代的全球动量并加速训练收敛。最后但并非最不重要的一点是，在训练过程结束时，全部批处理梯度用于模仿集中式优化，以确保收敛并克服由自适应优化方法引起的可能的不一致。

联合学习（FL）是一种新兴技术，用于协作训练全球机器学习模型，同时将数据局限于用户设备。FL实施实施的主要障碍是用户之间的非独立且相同的（非IID）数据分布，这会减慢收敛性和降低性能。为了解决这个基本问题，我们提出了一种方法（comfed），以增强客户端和服务器侧的整个培训过程。舒适的关键思想是同时利用客户端变量减少技术来促进服务器聚合和全局自适应更新技术以加速学习。我们在CIFAR-10分类任务上的实验表明，Comfed可以改善专用于非IID数据的最新算法。

Federated learning is a distributed machine learning paradigm in which a large number of clients coordinate with a central server to learn a model without sharing their own training data. Standard federated optimization methods such as Federated Averaging (FEDAVG) are often difficult to tune and exhibit unfavorable convergence behavior. In non-federated settings, adaptive optimization methods have had notable success in combating such issues. In this work, we propose federated versions of adaptive optimizers, including ADAGRAD, ADAM, and YOGI, and analyze their convergence in the presence of heterogeneous data for general nonconvex settings. Our results highlight the interplay between client heterogeneity and communication efficiency. We also perform extensive experiments on these methods and show that the use of adaptive optimizers can significantly improve the performance of federated learning.

经常引用联合学习的挑战是数据异质性的存在 - 不同客户的数据可能遵循非常不同的分布。已经提出了几种联合优化方法来应对这些挑战。在文献中，经验评估通常从随机初始化开始联合培训。但是，在联合学习的许多实际应用中，服务器可以访问培训任务的代理数据，该数据可用于在开始联合培训之前用于预训练模型。我们从经验上研究了使用四个常见联合学习基准数据集从联邦学习中的预训练模型开始的影响。毫不奇怪，从预先训练的模型开始，比从随机初始化开始时，缩短了达到目标错误率所需的训练时间，并使训练更准确的模型（最高40 \％）。令人惊讶的是，我们还发现，从预先训练的初始化开始联合培训时，数据异质性的效果不那么重要。相反，从预先训练的模型开始时，使用服务器上的自适应优化器（例如\ textsc {fedadam}）始终导致最佳准确性。我们建议未来提出和评估联合优化方法的工作在开始随机和预训练的初始化时考虑性能。我们还认为，这项研究提出了几个问题，以进一步了解异质性在联合优化中的作用。

可扩展性和隐私是交叉设备联合学习（FL）系统的两个关键问题。在这项工作中，我们确定了FL中的客户端更新的同步流动聚合不能高效地缩放到几百个并行培训之外。它导致ModelPerforce和训练速度的回报递减，Ampanysto大批量培训。另一方面，FL（即异步FL）中的客户端更新的异步聚合减轻了可扩展性问题。但是，聚合个性链子更新与安全聚合不兼容，这可能导致系统的不良隐私水平。为了解决这些问题，我们提出了一种新颖的缓冲异步聚合方法FedBuff，这是不可知的优化器的选择，并结合了同步和异步FL的最佳特性。我们经验证明FEDBuff比同步FL更有效，比异步FL效率更高3.3倍，同时兼容保留保护技术，如安全聚合和差异隐私。我们在平滑的非凸设置中提供理论融合保证。最后，我们显示在差异私有培训下，FedBuff可以在低隐私设置下占FEDAVGM并实现更高隐私设置的相同实用程序。

在联合学习（FL）的新兴范式中，大量客户端（例如移动设备）用于在各自的数据上训练可能的高维模型。由于移动设备的带宽低，分散的优化方法需要将计算负担从那些客户端转移到计算服务器，同时保留隐私和合理的通信成本。在本文中，我们专注于深度，如多层神经网络的培训，在FL设置下。我们提供了一种基于本地模型的层状和维度更新的新型联合学习方法，减轻了非凸起和手头优化任务的多层性质的新型联合学习方法。我们为Fed-Lamb提供了一种彻底的有限时间收敛性分析，表征其渐变减少的速度有多速度。我们在IID和非IID设置下提供实验结果，不仅可以证实我们的理论，而且与最先进的方法相比，我们的方法的速度更快。

数据异构联合学习（FL）系统遭受了两个重要的收敛误差来源：1）客户漂移错误是由于在客户端执行多个局部优化步骤而引起的，以及2）部分客户参与错误，这是一个事实，仅一小部分子集边缘客户参加每轮培训。我们发现其中，只有前者在文献中受到了极大的关注。为了解决这个问题，我们提出了FedVarp，这是在服务器上应用的一种新颖的差异算法，它消除了由于部分客户参与而导致的错误。为此，服务器只是将每个客户端的最新更新保持在内存中，并将其用作每回合中非参与客户的替代更新。此外，为了减轻服务器上的内存需求，我们提出了一种新颖的基于聚类的方差降低算法clusterfedvarp。与以前提出的方法不同，FedVarp和ClusterFedVarp均不需要在客户端上进行其他计算或其他优化参数的通信。通过广泛的实验，我们表明FedVarp优于最先进的方法，而ClusterFedVarp实现了与FedVarp相当的性能，并且记忆要求较少。

Federated learning has attracted increasing attention with the emergence of distributed data. While extensive federated learning algorithms have been proposed for the non-convex distributed problem, the federated learning in practice still faces numerous challenges, such as the large training iterations to converge since the sizes of models and datasets keep increasing, and the lack of adaptivity by SGD-based model updates. Meanwhile, the study of adaptive methods in federated learning is scarce and existing works either lack a complete theoretical convergence guarantee or have slow sample complexity. In this paper, we propose an efficient adaptive algorithm (i.e., FAFED) based on the momentum-based variance reduced technique in cross-silo FL. We first explore how to design the adaptive algorithm in the FL setting. By providing a counter-example, we prove that a simple combination of FL and adaptive methods could lead to divergence. More importantly, we provide a convergence analysis for our method and prove that our algorithm is the first adaptive FL algorithm to reach the best-known samples $O(\epsilon^{-3})$ and $O(\epsilon^{-2})$ communication rounds to find an $\epsilon$-stationary point without large batches. The experimental results on the language modeling task and image classification task with heterogeneous data demonstrate the efficiency of our algorithms.

联合学习（FL）使多个设备能够在不共享其个人数据的情况下协作学习全局模型。在现实世界应用中，不同的各方可能具有异质数据分布和有限的通信带宽。在本文中，我们有兴趣提高FL系统的通信效率。我们根据梯度规范的重要性调查和设计设备选择策略。特别是，我们的方法包括在每个通信轮中选择具有最高梯度值的最高规范的设备。我们研究了这种选择技术的收敛性和性能，并将其与现有技术进行比较。我们用非IID设置执行几个实验。结果显示了我们的方法的收敛性，与随机选择比较的测试精度相当大。

当客户具有不同的数据分布时，最新的联合学习方法的性能比其集中式同行差得多。对于神经网络，即使集中式SGD可以轻松找到同时执行所有客户端的解决方案，当前联合优化方法也无法收敛到可比的解决方案。我们表明，这种性能差异很大程度上可以归因于非概念性提出的优化挑战。具体来说，我们发现网络的早期层确实学习了有用的功能，但是最后一层无法使用它们。也就是说，适用于此非凸问题的联合优化扭曲了最终层的学习。利用这一观察结果，我们提出了一个火车征征训练（TCT）程序来避开此问题：首先，使用现成方法（例如FedAvg）学习功能；然后，优化从网络的经验神经切线核近似获得的共透性问题。当客户具有不同的数据时，我们的技术可在FMNIST上的准确性提高高达36％，而CIFAR10的准确性提高了 +37％。

联合学习用于大量（数百万）边缘移动设备的机器学习模型的分散培训。它充满挑战，因为移动设备通常具有有限的通信带宽和本地计算资源。因此，提高联合学习的效率对于可扩展性和可用性至关重要。在本文中，我们建议利用部分训练的神经网络，该网络在整个训练过程中冻结了一部分模型参数，以降低对模型性能的影响几乎没有影响的通信成本。通过广泛的实验，我们经验证明，部分培训的神经网络（FEDPT）的联合学习可能导致卓越的通信准确性权衡，通信成本高达46美元，以小的准确度成本。我们的方法还实现了更快的培训，具有较小的内存占用空间，更好的效用，以便强​​大的差异隐私保证。对于推动设备上学习中的过度参数化的局限性，所提出的FEDPT方法可以特别有趣。

在这项工作中，我们提出了FedSSO，这是一种用于联合学习的服务器端二阶优化方法（FL）。与以前朝这个方向的工作相反，我们在准牛顿方法中采用了服务器端近似，而无需客户的任何培训数据。通过这种方式，我们不仅将计算负担从客户端转移到服务器，而且还消除了客户和服务器之间二阶更新的附加通信。我们为我们的新方法的收敛提供了理论保证，并从经验上证明了我们在凸面和非凸面设置中的快速收敛和沟通节省。

个性化联合学习（FL）是佛罗里达州的一个新兴研究领域，在客户之间存在数据异质性的情况下，可以学习一个易于适应的全球模型。但是，个性化FL的主要挑战之一是，由于客户数据与服务器隔离以确保隐私，因此非常依赖客户的计算资源来计算高阶梯度。为了解决这个问题，我们专注于服务器可以独立于客户数据独立于客户数据的问题设置，这是各种应用程序中普遍的问题设置，但在现有文献中相对尚未探索。具体而言，我们提出了FedSim，这是一种针对个性化FL的新方法，该方法积极利用此类服务​​器数据来改善服务器中的元梯度计算以提高个性化性能。在实验上，我们通过各种基准和消融证明了FEDSIM在准确性方面优于现有方法，通过计算服务器中的完整元梯度，在计算上更有效，并且收敛速度高达34.2％。

联邦学习（FL）试图在本地客户端分发模型培训，而无需在集中式数据中心收集数据，从而消除了数据私人关系问题。 FL的一个主要挑战是数据异质性（每个客户的数据分布可能会有所不同），因为它可能导致本地客户的权重差异并减慢全球融合。当前专为数据异质性设计的SOTA FL方法通常会施加正则化以限制非IID数据的影响，并且是状态算法，即它们随着时间的推移维持局部统计数据。尽管有效，但这些方法只能用于FL的特殊情况，仅涉及少数可靠的客户。对于fl的更典型应用，客户端数量很大（例如，边缘设备和移动应用程序），这些方法无法应用，激发了对任何可用于任何数量客户端使用的无状态方法的无状态方法的需求。我们得出了一阶梯度正则化，以惩罚由于本地数据异质性而导致的本地更新不一致。具体而言，为了减轻权重差异，我们将全局数据分布的一阶近似引入本地目标，该目标凭直觉地惩罚了与全局更新相反方向的更新。最终结果是一种无状态的FL算法，可实现1）在非IID数据分布下，比SOTA方法明显更快地收敛（即较少的通信回合）和2）总体融合性能更高。重要的是，我们的方法不会对客户大小施加不切实际的限制，从而可以从大多数FL应用程序中向大量客户学习。

联合学习是一种在不违反隐私限制的情况下对分布式数据集进行统计模型培训统计模型的最新方法。通过共享模型而不是客户和服务器之间的数据来保留数据位置原则。这带来了许多优势，但也带来了新的挑战。在本报告中，我们探讨了这个新的研究领域，并执行了几项实验，以加深我们对这些挑战的理解以及不同的问题设置如何影响最终模型的性能。最后，我们为这些挑战之一提供了一种新颖的方法，并将其与文献中的其他方法进行了比较。

由于参与客户的异构特征，联邦学习往往受到不稳定和缓慢的收敛。当客户参与比率低时，这种趋势加剧了，因为从每个轮的客户收集的信息容易更加不一致。为了解决挑战，我们提出了一种新的联合学习框架，这提高了服务器端聚合步骤的稳定性，这是通过将客户端发送与全局梯度估计的加速模型来引导本地梯度更新来实现的。我们的算法自然地聚合并将全局更新信息与没有额外的通信成本的参与者传达，并且不需要将过去的模型存储在客户端中。我们还规范了本地更新，以进一步降低偏差并提高本地更新的稳定性。我们根据各种设置执行了关于实际数据的全面实证研究，与最先进的方法相比，在准确性和通信效率方面表现出了拟议方法的显着性能，特别是具有低客户参与率。我们的代码可在https://github.com/ninigapa0 / fedagm获得

联合学习的一个关键挑战是客户之间的数据异质性和失衡，这导致本地网络与全球模型不稳定的融合之间的不一致。为了减轻局限性，我们提出了一种新颖的建筑正则化技术，该技术通过在几个不同级别上接管本地和全球子网，在每个本地模型中构建多个辅助分支通过在线知识蒸馏。该提出的技术即使在非IID环境中也可以有效地鲁棒化，并且适用于各种联合学习框架，而不会产生额外的沟通成本。与现有方法相比，我们进行了全面的经验研究，并在准确性和效率方面表现出显着的性能提高。源代码可在我们的项目页面上找到。

隐私和沟通效率是联邦神经网络培训中的重要挑战，并将它们组合仍然是一个公开的问题。在这项工作中，我们开发了一种统一高度压缩通信和差异隐私（DP）的方法。我们引入基于相对熵编码（REC）到联合设置的压缩技术。通过对REC进行微小的修改，我们获得了一种可怕的私立学习算法，DP-REC，并展示了如何计算其隐私保证。我们的实验表明，DP-REC大大降低了通信成本，同时提供与最先进的隐私保证。

Modern mobile devices have access to a wealth of data suitable for learning models, which in turn can greatly improve the user experience on the device. For example, language models can improve speech recognition and text entry, and image models can automatically select good photos. However, this rich data is often privacy sensitive, large in quantity, or both, which may preclude logging to the data center and training there using conventional approaches. We advocate an alternative that leaves the training data distributed on the mobile devices, and learns a shared model by aggregating locally-computed updates. We term this decentralized approach Federated Learning.We present a practical method for the federated learning of deep networks based on iterative model averaging, and conduct an extensive empirical evaluation, considering five different model architectures and four datasets. These experiments demonstrate the approach is robust to the unbalanced and non-IID data distributions that are a defining characteristic of this setting. Communication costs are the principal constraint, and we show a reduction in required communication rounds by 10-100× as compared to synchronized stochastic gradient descent.

In federated optimization, heterogeneity in the clients' local datasets and computation speeds results in large variations in the number of local updates performed by each client in each communication round. Naive weighted aggregation of such models causes objective inconsistency, that is, the global model converges to a stationary point of a mismatched objective function which can be arbitrarily different from the true objective. This paper provides a general framework to analyze the convergence of federated heterogeneous optimization algorithms. It subsumes previously proposed methods such as FedAvg and FedProx and provides the first principled understanding of the solution bias and the convergence slowdown due to objective inconsistency. Using insights from this analysis, we propose Fed-Nova, a normalized averaging method that eliminates objective inconsistency while preserving fast error convergence.