我们研究了具有异构，有限的和时变的计算资源可用性的设备上神经网络（NNS）的分布式训练问题。我们提出了一种自适应，资源感知的设备上学习机制，诈骗性，其能够以分布式方式完全和高效地利用设备上的可用资源，增加收敛速度。这是通过辍学机制实现的，该机制通过随机丢弃模型的卷积层的滤波器来动态调整训练NN的计算复杂性。我们的主要贡献是引入设计空间探索（DSE）技术，其在训练的资源需求和收敛速度上找到了Paripo-Optimal的每层丢弃向量。应用此技术，每个设备都能够动态地选择丢弃载体，符合其可用资源而不需要服务器的任何帮助。我们在联合学习（FL）系统中实施我们的解决方案，计算资源的可用性在设备和随着时间的推移之间变化，并且通过广泛的评估显示我们能够在不损害的情况下显着增加艺术状态的收敛速度最终准确性。

参加联合学习（FL）的设备通常具有异质通信，计算和内存资源。但是，在同步FL中，所有设备都需要按照服务器规定的相同截止日期来完成培训。我们的结果表明，在受约束的设备上训练较小的神经网络（NN）子集，即按照最新状态提出的删除神经元/过滤器，这是效率低下的，可以防止这些设备对模型做出有效的贡献。这会导致不公平的w.r.t受限设备的可实现精确度，尤其是在跨设备的类标签偏斜的情况下。我们提出了一种新型的FL技术CocoFl，该技术在所有设备上都保持了完整的NN结构。为了适应设备的异质资源，CocoFl冻结并量化了选定的层，减少通信，计算和内存需求，而其他层仍被完全精确地训练，使得能够达到高精度。因此，CoCOFL有效地利用了设备上的可用资源，并允许受限的设备对FL系统做出重大贡献，从而提高了参与者的公平性（准确性均等），并显着提高了模型的最终准确性。

联合学习（FL）作为边缘设备的有希望的技术，以协作学习共享预测模型，同时保持其训练数据，从而解耦了从需要存储云中的数据的机器学习的能力。然而，在规模和系统异质性方面，FL难以现实地实现。虽然有许多用于模拟FL算法的研究框架，但它们不支持在异构边缘设备上进行可扩展的流程。在本文中，我们呈现花 - 一种全面的FL框架，通过提供新的设施来执行大规模的FL实验并考虑丰富的异构流程来区分现有平台。我们的实验表明花卉可以仅使用一对高端GPU在客户尺寸下进行FL实验。然后，研究人员可以将实验无缝地迁移到真实设备中以检查设计空间的其他部分。我们认为花卉为社区提供了一个批判性的新工具，用于研究和发展。

联邦学习（FL）一直在不同的ML任务中获得显着的牵引力，从视野到键盘预测。在大规模的部署中，客户异质性是一个事实，并构成公平，培训性能和准确性的主要问题。虽然已经进行了统计数据异质性的重大努力，但是作为系统异质性称为客户端的处理能力和网络带宽的多样性仍然很大程度上是未开发的。当前解决方案无论是忽略大部分可用的设备，也无限制地设定均匀限制，由最低能力的参与者限制。在这项工作中，我们介绍了有序的辍学，这是一种机制，实现了深度神经网络（DNN）中的有序，嵌套的知识表示，并且能够在不需要再培训的情况下提取较低的脚印子模型。我们进一步表明，对于线性地图，我们的订购辍学等同于SVD。我们采用这种技术，以及一种自蒸馏方法，在一个叫做峡湾的框架中。 Fjord通过将模型宽度定制到客户端的功能来减轻客户体系异质性的问题。在各种方式上对CNN和RNN的广泛评估表明，峡湾始终如一地导致最先进的基线的显着性能，同时保持其嵌套结构。

Federated learning (FL) on deep neural networks facilitates new applications at the edge, especially for wearable and Internet-of-Thing devices. Such devices capture a large and diverse amount of data, but they have memory, compute, power, and connectivity constraints which hinder their participation in FL. We propose Centaur, a multitier FL framework, enabling ultra-constrained devices to efficiently participate in FL on large neural nets. Centaur combines two major ideas: (i) a data selection scheme to choose a portion of samples that accelerates the learning, and (ii) a partition-based training algorithm that integrates both constrained and powerful devices owned by the same user. Evaluations, on four benchmark neural nets and three datasets, show that Centaur gains ~10% higher accuracy than local training on constrained devices with ~58% energy saving on average. Our experimental results also demonstrate the superior efficiency of Centaur when dealing with imbalanced data, client participation heterogeneity, and various network connection probabilities.

在互联网上应用联合学习（FL）是由他们产生的大量数据卷产生和越来越多的数据隐私问题所必需的。但是，有三种挑战需要解决，以使FL高效：（i）在具有有限的计算能力的设备上执行（ii）由于设备的计算异质性而对陷阱器进行丢包，并且（iii）适应变化的网络带宽。本文提出了一个自适应卸载FL框架，以减轻前述挑战。 FEDADATT通过利用深神经网络（DNN）的层卸载到服务器来加速在计算受限设备中的本地培训。此外，FEDADATT采用基于基于学习的优化和聚类，以便自适应地识别用于服务器上的每个单独设备的DNN的哪个层，以解决计算异质性和改变网络带宽的挑战。实验研究在包括五个物理设备的基于实验室的试验台上进行。通过将DNN从设备卸载到服务器FEDADATT与经典FL相比将典型的物联网设备的训练时间减少一半。极端陷阱和整体训练时间的培训时间可以减少高达57％。此外，随着网络带宽的变化，与经典FL相比，FEDADATT将在不牺牲精度的情况下将培训时间降低至多40％。 FEDADATT可以从https://github.com/qub-blesson/fedadapt下载。

联邦学习（FL）最近由于其在保留隐私而使用分散数据的能力，最近引起了人们的关注。但是，这也提出了与参与设备的异质性有关的其他挑战，无论是在其计算能力和贡献数据方面。同时，神经体系结构搜索（NAS）已成功用于集中式数据集，从而产生了最新的结果，从而获得了受限（硬件意识）和不受约束的设置。但是，即使是在NAS和FL的交集的最新工作，也假定了与数据中心硬件的均匀计算环境，并且无法解决使用受约束，异质设备的问题。结果，在联合环境中对NAS的实际用法仍然是我们在工作中解决的一个空旷的问题。我们设计我们的系统Fedoras，在处理具有非IID分布数据的不同功能的设备时发现和培训有希望的体系结构，并提供了其在不同环境中有效性的经验证据。具体而言，我们在跨越三种不同模式（视觉，语音，文本）的数据集中评估了Fedoras，并且与最先进的联合解决方案相比，其性能更好，同时保持资源效率。

联合学习（FL）可以培训全球模型，而无需共享存储在多个设备上的分散的原始数据以保护数据隐私。由于设备的能力多样化，FL框架难以解决Straggler效应和过时模型的问题。此外，数据异质性在FL训练过程中会导致全球模型的严重准确性降解。为了解决上述问题，我们提出了一个层次同步FL框架，即Fedhisyn。 Fedhisyn首先根据其计算能力将所有可​​用的设备簇分为少数类别。经过一定的本地培训间隔后，将不同类别培训的模型同时上传到中央服务器。在单个类别中，设备根据环形拓扑会相互传达局部更新的模型权重。随着环形拓扑中训练的效率更喜欢具有均匀资源的设备，基于计算能力的分类减轻了Straggler效应的影响。此外，多个类别的同步更新与单个类别中的设备通信的组合有助于解决数据异质性问题，同时达到高精度。我们评估了基于MNIST，EMNIST，CIFAR10和CIFAR100数据集的提议框架以及设备的不同异质设置。实验结果表明，在训练准确性和效率方面，Fedhisyn的表现优于六种基线方法，例如FedAvg，脚手架和Fedat。

我们日常生活中的深度学习是普遍存在的，包括自驾车，虚拟助理，社交网络服务，医疗服务，面部识别等，但是深度神经网络在训练和推理期间需要大量计算资源。该机器学习界主要集中在模型级优化（如深度学习模型的架构压缩），而系统社区则专注于实施级别优化。在其间，在算术界中提出了各种算术级优化技术。本文在模型，算术和实施级技术方面提供了关于资源有效的深度学习技术的调查，并确定了三种不同级别技术的资源有效的深度学习技术的研究差距。我们的调查基于我们的资源效率度量定义，阐明了较低级别技术的影响，并探讨了资源有效的深度学习研究的未来趋势。

While machine learning is traditionally a resource intensive task, embedded systems, autonomous navigation, and the vision of the Internet of Things fuel the interest in resource-efficient approaches. These approaches aim for a carefully chosen trade-off between performance and resource consumption in terms of computation and energy. The development of such approaches is among the major challenges in current machine learning research and key to ensure a smooth transition of machine learning technology from a scientific environment with virtually unlimited computing resources into everyday's applications. In this article, we provide an overview of the current state of the art of machine learning techniques facilitating these real-world requirements. In particular, we focus on deep neural networks (DNNs), the predominant machine learning models of the past decade. We give a comprehensive overview of the vast literature that can be mainly split into three non-mutually exclusive categories: (i) quantized neural networks, (ii) network pruning, and (iii) structural efficiency. These techniques can be applied during training or as post-processing, and they are widely used to reduce the computational demands in terms of memory footprint, inference speed, and energy efficiency. We also briefly discuss different concepts of embedded hardware for DNNs and their compatibility with machine learning techniques as well as potential for energy and latency reduction. We substantiate our discussion with experiments on well-known benchmark datasets using compression techniques (quantization, pruning) for a set of resource-constrained embedded systems, such as CPUs, GPUs and FPGAs. The obtained results highlight the difficulty of finding good trade-offs between resource efficiency and predictive performance.

联合学习（FL）可以使用学习者使用本地数据进行分布式培训，从而增强隐私和减少沟通。但是，它呈现出与数据分布，设备功能和参与者可用性的异质性有关的众多挑战，作为部署量表，这可能会影响模型融合和偏置。现有的FL方案使用随机参与者选择来提高公平性;然而，这可能导致资源低效和更低的质量培训。在这项工作中，我们系统地解决了FL中的资源效率问题，展示了智能参与者选择的好处，并将更新从争吵的参与者纳入。我们展示了这些因素如何实现资源效率，同时还提高了训练有素的模型质量。

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。

大规模的神经网络具有相当大的表现力。它们非常适合工业应用中的复杂学习任务。但是，在当前联邦学习（FL）范式下，大型模型对训练构成了重大挑战。现有的有效FL训练的方法通常利用模型参数辍学。但是，操纵单个模型参数不仅在训练大规模FL模型时有意义地减少通信开销效率低下，而且还可能不利于缩放工作和模型性能，如最近的研究所示。为了解决这些问题，我们提出了联合的机会障碍辍学方法（FEDOBD）方法。关键的新颖性是，它将大规模模型分解为语义块，以便FL参与者可以机会上传量化的块，这些块被认为对训练该模型非常重要，以供FL服务器进行聚合。基于多个现实世界数据集的五种最先进方法评估FEDOBD的广泛实验表明，与最佳性能基线方法相比，它将整体通信开销降低了70％以上，同时达到了最高的测试准确性。据我们所知，FEDOBD是在块级别而不是在单个参数级别上执行FL模型上辍学的第一种方法。

深度学习技术在各种任务中都表现出了出色的有效性，并且深度学习具有推进多种应用程序（包括在边缘计算中）的潜力，其中将深层模型部署在边缘设备上，以实现即时的数据处理和响应。一个关键的挑战是，虽然深层模型的应用通常会产生大量的内存和计算成本，但Edge设备通常只提供非常有限的存储和计算功能，这些功能可能会在各个设备之间差异很大。这些特征使得难以构建深度学习解决方案，以释放边缘设备的潜力，同时遵守其约束。应对这一挑战的一种有希望的方法是自动化有效的深度学习模型的设计，这些模型轻巧，仅需少量存储，并且仅产生低计算开销。该调查提供了针对边缘计算的深度学习模型设计自动化技术的全面覆盖。它提供了关键指标的概述和比较，这些指标通常用于量化模型在有效性，轻度和计算成本方面的水平。然后，该调查涵盖了深层设计自动化技术的三类最新技术：自动化神经体系结构搜索，自动化模型压缩以及联合自动化设计和压缩。最后，调查涵盖了未来研究的开放问题和方向。

手持设备的广泛采用促进了新应用程序的快速增长。这些新应用程序中有几个采用机器学习模型来培训通常是私人且敏感的用户数据。联合学习使机器学习模型可以在每个手持设备上本地训练，同时仅将其神经元更新与服务器同步。虽然这使用户隐私，但技术扩展和软件的进步导致了具有不同性能功能的手持设备。这导致了联合学习任务的培训时间，该任务由一些低表现的Straggler设备决定，从本质上讲是整个培训过程的瓶颈。在这项工作中，我们旨在通过基于其性能和准确性反馈来动态形成散乱者的子模型来减轻联合学习的性能。为此，我们提供了不变的辍学，这是一种动态技术，该技术基于神经元更新阈值形成子模型。不变的辍学使用来自非straggler客户端的神经元更新，在每次训练期间为每个Straggler开发一个量身定制的子模型。所有相应的权重小于阈值的幅度均掉落。我们使用五个现实世界的移动客户端评估了不变的辍学。我们的评估表明，不变的辍学获得比最新有序辍学的最大准确性增益1.4％，同时减轻了散乱的性能瓶颈。

当可用的硬件无法满足内存和计算要求以有效地训练高性能的机器学习模型时，需要妥协训练质量或模型复杂性。在联合学习（FL）中，节点是比传统服务器级硬件更具限制的数量级，并且通常是电池供电的，严重限制了可以在此范式下训练的模型的复杂性。尽管大多数研究都集中在设计更好的聚合策略上以提高收敛速度并减轻FL的沟通成本，但更少的努力致力于加快设备培训。这样的阶段重复数百次（即每回合）并可能涉及数千个设备，这是培训联合模型所需的大部分时间，以及客户端的全部能源消耗。在这项工作中，我们介绍了第一个研究在FL工作负载中培训时间引入稀疏性时出现的独特方面的研究。然后，我们提出了Zerofl，该框架依赖于高度稀疏的操作来加快设备训练。与通过将最先进的稀疏训练框架适应FL设置相比，接受Zerofl和95％稀疏性训练的模型高达2.3％的精度。

The recent breakthroughs in machine learning (ML) and deep learning (DL) have enabled many new capabilities across plenty of application domains. While most existing machine learning models require large memory and computing power, efforts have been made to deploy some models on resource-constrained devices as well. There are several systems that perform inference on the device, while direct training on the device still remains a challenge. On-device training, however, is attracting more and more interest because: (1) it enables training models on local data without needing to share data over the cloud, thus enabling privacy preserving computation by design; (2) models can be refined on devices to provide personalized services and cope with model drift in order to adapt to the changes of the real-world environment; and (3) it enables the deployment of models in remote, hardly accessible locations or places without stable internet connectivity. We summarize and analyze the-state-of-art systems research to provide the first survey of on-device training from a systems perspective.

混合精确的深神经网络达到了硬件部署所需的能源效率和吞吐量，尤其是在资源有限的情况下，而无需牺牲准确性。但是，不容易找到保留精度的最佳每层钻头精度，尤其是在创建巨大搜索空间的大量模型，数据集和量化技术中。为了解决这一困难，最近出现了一系列文献，并且已经提出了一些实现有希望的准确性结果的框架。在本文中，我们首先总结了文献中通常使用的量化技术。然后，我们对混合精液框架进行了彻底的调查，该调查是根据其优化技术进行分类的，例如增强学习和量化技术，例如确定性舍入。此外，讨论了每个框架的优势和缺点，我们在其中呈现并列。我们最终为未来的混合精液框架提供了指南。

Deep neural networks (DNNs) are currently widely used for many artificial intelligence (AI) applications including computer vision, speech recognition, and robotics. While DNNs deliver state-of-the-art accuracy on many AI tasks, it comes at the cost of high computational complexity. Accordingly, techniques that enable efficient processing of DNNs to improve energy efficiency and throughput without sacrificing application accuracy or increasing hardware cost are critical to the wide deployment of DNNs in AI systems.This article aims to provide a comprehensive tutorial and survey about the recent advances towards the goal of enabling efficient processing of DNNs. Specifically, it will provide an overview of DNNs, discuss various hardware platforms and architectures that support DNNs, and highlight key trends in reducing the computation cost of DNNs either solely via hardware design changes or via joint hardware design and DNN algorithm changes. It will also summarize various development resources that enable researchers and practitioners to quickly get started in this field, and highlight important benchmarking metrics and design considerations that should be used for evaluating the rapidly growing number of DNN hardware designs, optionally including algorithmic co-designs, being proposed in academia and industry.The reader will take away the following concepts from this article: understand the key design considerations for DNNs; be able to evaluate different DNN hardware implementations with benchmarks and comparison metrics; understand the trade-offs between various hardware architectures and platforms; be able to evaluate the utility of various DNN design techniques for efficient processing; and understand recent implementation trends and opportunities.

Federated Learning (FL) is a machine learning paradigm that enables the training of a shared global model across distributed clients while keeping the training data local. While most prior work on designing systems for FL has focused on using stateful always running components, recent work has shown that components in an FL system can greatly benefit from the usage of serverless computing and Function-as-a-Service technologies. To this end, distributed training of models with severless FL systems can be more resource-efficient and cheaper than conventional FL systems. However, serverless FL systems still suffer from the presence of stragglers, i.e., slow clients due to their resource and statistical heterogeneity. While several strategies have been proposed for mitigating stragglers in FL, most methodologies do not account for the particular characteristics of serverless environments, i.e., cold-starts, performance variations, and the ephemeral stateless nature of the function instances. Towards this, we propose FedLesScan, a novel clustering-based semi-asynchronous training strategy, specifically tailored for serverless FL. FedLesScan dynamically adapts to the behaviour of clients and minimizes the effect of stragglers on the overall system. We implement our strategy by extending an open-source serverless FL system called FedLess. Moreover, we comprehensively evaluate our strategy using the 2nd generation Google Cloud Functions with four datasets and varying percentages of stragglers. Results from our experiments show that compared to other approaches FedLesScan reduces training time and cost by an average of 8% and 20% respectively while utilizing clients better with an average increase in the effective update ratio of 17.75%.