非凸优化的马鞍点避免问题在大规模分布式学习框架中非常具有挑战性，例如联邦学习，特别是在拜占庭工作者的存在。 「庆祝的立方规范化牛顿方法\ Cite {Nest}是避免标准集中（非分布式）设置中的马鞍点的最优雅方式之一。在本文中，我们将立方正规化的牛顿方法扩展到分布式框架，同时解决了几种实际挑战，如通信瓶颈和拜占庭攻击。请注意，由于流氓机器可以在丢失功能的鞍点附近创建\ emph {假本地最小值}，因此在丢失函数的鞍点附近，尚未创建拜占机器的存在，避免问题在拜占庭机器的情况下变得更加重要。作为二阶算法，我们的迭代复杂性远低于第一订单对应物。此外，我们使用像$ \ delta $类似的压缩（或稀疏）技术，以便进行通信效率。我们在包括近似（子采样）梯度和黑森州的若干环境下获得理论担保。此外，我们通过使用标准数据集和几种类型的拜占庭攻击进行实验验证了我们的理论调查结果，并在迭代复杂性中获得了25 \％$ 25 \％$的提高。

In large-scale distributed learning, security issues have become increasingly important. Particularly in a decentralized environment, some computing units may behave abnormally, or even exhibit Byzantine failures-arbitrary and potentially adversarial behavior. In this paper, we develop distributed learning algorithms that are provably robust against such failures, with a focus on achieving optimal statistical performance. A main result of this work is a sharp analysis of two robust distributed gradient descent algorithms based on median and trimmed mean operations, respectively. We prove statistical error rates for three kinds of population loss functions: strongly convex, nonstrongly convex, and smooth non-convex. In particular, these algorithms are shown to achieve order-optimal statistical error rates for strongly convex losses. To achieve better communication efficiency, we further propose a median-based distributed algorithm that is provably robust, and uses only one communication round. For strongly convex quadratic loss, we show that this algorithm achieves the same optimal error rate as the robust distributed gradient descent algorithms.

This paper shows that a perturbed form of gradient descent converges to a second-order stationary point in a number iterations which depends only poly-logarithmically on dimension (i.e., it is almost "dimension-free"). The convergence rate of this procedure matches the wellknown convergence rate of gradient descent to first-order stationary points, up to log factors. When all saddle points are non-degenerate, all second-order stationary points are local minima, and our result thus shows that perturbed gradient descent can escape saddle points almost for free.Our results can be directly applied to many machine learning applications, including deep learning. As a particular concrete example of such an application, we show that our results can be used directly to establish sharp global convergence rates for matrix factorization. Our results rely on a novel characterization of the geometry around saddle points, which may be of independent interest to the non-convex optimization community.

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。

牛顿型方法由于其快速收敛而在联合学习中很受欢迎。尽管如此，由于要求将Hessian信息从客户发送到参数服务器（PS），因此他们遭受了两个主要问题：沟通效率低下和较低的隐私性。在这项工作中，我们介绍了一个名为Fednew的新颖框架，其中无需将Hessian信息从客户传输到PS，因此解决了瓶颈以提高沟通效率。此外，与现有的最新技术相比，Fednew隐藏了梯度信息，并导致具有隐私的方法。 Fednew中的核心小说想法是引入两个级别的框架，并在仅使用一种交替的乘数方法（ADMM）步骤更新逆Hessian级别产品之间，然后使用Newton的方法执行全局模型更新。尽管在每次迭代中只使用一个ADMM通行证来近似逆Hessian梯度产品，但我们开发了一种新型的理论方法来显示Fednew在凸问题上的融合行为。此外，通过利用随机量化，可以显着减少通信开销。使用真实数据集的数值结果显示了与现有方法相比，在通信成本方面，Fednew的优越性。

Federated learning is a distributed framework according to which a model is trained over a set of devices, while keeping data localized. This framework faces several systemsoriented challenges which include (i) communication bottleneck since a large number of devices upload their local updates to a parameter server, and (ii) scalability as the federated network consists of millions of devices. Due to these systems challenges as well as issues related to statistical heterogeneity of data and privacy concerns, designing a provably efficient federated learning method is of significant importance yet it remains challenging. In this paper, we present FedPAQ, a communication-efficient Federated Learning method with Periodic Averaging and Quantization. FedPAQ relies on three key features: (1) periodic averaging where models are updated locally at devices and only periodically averaged at the server; (2) partial device participation where only a fraction of devices participate in each round of the training; and (3) quantized messagepassing where the edge nodes quantize their updates before uploading to the parameter server. These features address the communications and scalability challenges in federated learning. We also show that FedPAQ achieves near-optimal theoretical guarantees for strongly convex and non-convex loss functions and empirically demonstrate the communication-computation tradeoff provided by our method.

对以联邦学习（FL）的名义进行的分布式优化框架越来越感兴趣。特别是，在通信资源（例如，带宽）和数据分布方面，网络非常异质的情况下，网络是强烈的。在这些情况下，本地机器（代理）和中央服务器（主）之间的通信是主要考虑因素。在这项工作中，我们提出了棚屋，这是一种原始的通信限制在这种异质场景中旨在加速FL的牛顿型（NT）算法。棚子是通过设计强大到非i.i.d.数据分布，处理代理通信资源的异质性（CRS），仅需要零星的Hessian计算，并实现超级线性收敛。这是可能的，这是基于当地Hessian矩阵的特征分配的增量策略，该矩阵（可能）（可能）过时的二阶信息。通过评估（i）收敛所需的通信回合的数量，（ii）传输的数据总量以及（iii）本地Hessian计算的数量，可以在实际数据集上进行彻底验证所提出的解决方案。对于所有这些指标，提出的方法显示出对巨人和FedNL等最新技术的卓越性能。

尽管计算高昂和沟通成本，牛顿型方法仍然是分布式培训的吸引人选择，因为它们对不良条件的凸问题进行了稳健性。在这项工作中，我们研究了通信压缩和曲率信息的聚合机制，以降低这些成本，同时保留理论上优越的局部收敛保证。我们证明了Richtarik等人最近开发的三点压缩机（3PC）类。 [2022]对于梯度交流也可以推广到Hessian通信。该结果开辟了各种各样的沟通策略，例如承包压缩}和懒惰的聚合，可用于压缩过高的成本曲率信息。此外，我们发现了几种新的3PC机制，例如自适应阈值和Bernoulli聚集，这些机制需要减少通信和偶尔的Hessian计算。此外，我们扩展和分析了双向通信压缩和部分设备参与设置的方法，以迎合联合学习中应用的实际考虑。对于我们的所有方法，我们得出了与局部无关的局部线性和/或超线性收敛速率。最后，通过对凸优化问题进行广泛的数值评估，我们说明我们的设计方案与使用二阶信息相比，与几个关键基线相比，我们的设计方案达到了最新的通信复杂性。

分布式机器学习实现可扩展性和计算卸载，但需要大量的通信。因此，分布式学习设置中的沟通效率是一个重要的考虑因素，尤其是当通信是无线且采用电池驱动设备时。在本文中，我们开发了一种基于审查的重球（CHB）方法，用于在服务器工作者体系结构中分布式学习。除非其本地梯度与先前传播的梯度完全不同，否则每个工人的自我审查员。 HB学习问题的显着实际优势是众所周知的，但是尚未解决降低通信的问题。 CHB充分利用HB平滑来消除报告的微小变化，并证明达到了与经典HB方法相当的线性收敛速率，以平滑和强烈凸出目标函数。 CHB的收敛保证在理论上是合理的，对于凸和非凸案。此外，我们证明，在某些情况下，至少可以消除所有通信的一半，而不会对收敛率产生任何影响。广泛的数值结果验证了CHB在合成和真实数据集（凸，非凸和非不同情况）上的通信效率。鉴于目标准确性，与现有算法相比，CHB可以显着减少通信数量，从而实现相同的精度而不减慢优化过程。

Federated Learning is a distributed learning paradigm with two key challenges that differentiate it from traditional distributed optimization: (1) significant variability in terms of the systems characteristics on each device in the network (systems heterogeneity), and (2) non-identically distributed data across the network (statistical heterogeneity). In this work, we introduce a framework, FedProx, to tackle heterogeneity in federated networks. FedProx can be viewed as a generalization and re-parametrization of FedAvg, the current state-of-the-art method for federated learning. While this re-parameterization makes only minor modifications to the method itself, these modifications have important ramifications both in theory and in practice. Theoretically, we provide convergence guarantees for our framework when learning over data from non-identical distributions (statistical heterogeneity), and while adhering to device-level systems constraints by allowing each participating device to perform a variable amount of work (systems heterogeneity). Practically, we demonstrate that FedProx allows for more robust convergence than FedAvg across a suite of realistic federated datasets. In particular, in highly heterogeneous settings, FedProx demonstrates significantly more stable and accurate convergence behavior relative to FedAvg-improving absolute test accuracy by 22% on average.

近期在应用于培训深度神经网络和数据分析中的其他优化问题中的非凸优化的优化算法的兴趣增加，我们概述了最近对非凸优化优化算法的全球性能保证的理论结果。我们从古典参数开始，显示一般非凸面问题无法在合理的时间内有效地解决。然后，我们提供了一个问题列表，可以通过利用问题的结构来有效地找到全球最小化器，因为可能的问题。处理非凸性的另一种方法是放宽目标，从找到全局最小，以找到静止点或局部最小值。对于该设置，我们首先为确定性一阶方法的收敛速率提出了已知结果，然后是最佳随机和随机梯度方案的一般理论分析，以及随机第一阶方法的概述。之后，我们讨论了非常一般的非凸面问题，例如最小化$ \ alpha $ -weakly-are-convex功能和满足Polyak-lojasiewicz条件的功能，这仍然允许获得一阶的理论融合保证方法。然后，我们考虑更高阶和零序/衍生物的方法及其收敛速率，以获得非凸优化问题。

许多深度学习领域都受益于使用越来越大的神经网络接受公共数据训练的培训，就像预先训练的NLP和计算机视觉模型一样。培训此类模型需要大量的计算资源（例如，HPC群集），而小型研究小组和独立研究人员则无法使用。解决问题的一种方法是，几个较小的小组将其计算资源汇总在一起并训练一种使所有参与者受益的模型。不幸的是，在这种情况下，任何参与者都可以通过故意或错误地发送错误的更新来危害整个培训。在此类同龄人的情况下进行培训需要具有拜占庭公差的专门分布式培训算法。这些算法通常通过引入冗余通信或通过受信任的服务器传递所有更新来牺牲效率，从而使它们无法应用于大规模深度学习，在该大规模深度学习中，模型可以具有数十亿个参数。在这项工作中，我们提出了一种新的协议，用于强调沟通效率的安全（容忍）分散培训。

我们介绍了一个框架 - Artemis-，以解决分布式或联合设置中的学习问题，并具有通信约束和设备部分参与。几位工人（随机抽样）使用中央服务器执行优化过程来汇总其计算。为了减轻通信成本，Artemis允许在两个方向上（从工人到服务器，相反）将发送的信息与内存机制相结合。它改进了仅考虑单向压缩（对服务器）的现有算法，或在压缩操作员上使用非常强大的假设，并且通常不考虑设备的部分参与。我们在非I.I.D中的随机梯度（仅在最佳点界定的噪声方差）提供了快速的收敛速率（线性最高到阈值）。设置，突出显示内存对单向和双向压缩的影响，分析Polyak-Ruppert平均。我们在分布中使用收敛性，以获得渐近方差的下限，该方差突出了实际的压缩极限。我们提出了两种方法，以解决设备部分参与的具有挑战性的案例，并提供实验结果以证明我们的分析有效性。

我们开发了一种新方法来解决中央服务器中分布式学习问题中的通信约束。我们提出和分析了一种执行双向压缩的新算法，并仅使用uplink（从本地工人到中央服务器）压缩达到与算法相同的收敛速率。为了获得此改进，我们设计了MCM，一种算法，使下行链路压缩仅影响本地模型，而整体模型则保留。结果，与以前的工作相反，本地服务器上的梯度是在干扰模型上计算的。因此，融合证明更具挑战性，需要精确控制这种扰动。为了确保它，MCM还将模型压缩与存储机制相结合。该分析打开了新的门，例如纳入依赖工人的随机模型和部分参与。

联合学习（FL）是在分布式的数据上进行的有希望的隐私机器学习范式。在FL中，每个用户在本地保存数据。这样可以保护用户隐私，但也使服务器难以验证数据质量，尤其是在正确标记数据的情况下。用损坏的标签培训对联邦学习任务有害；但是，在标签噪声的情况下，很少关注FL。在本文中，我们专注于这个问题，并提出一种基于学习的重新加权方法，以减轻FL中嘈杂标签的效果。更确切地说，我们为每个训练样本调整了一个重量，以使学习模型在验证集上具有最佳的概括性能。更正式的是，该过程可以作为联合双层优化问题进行配合。二重优化问题是一种优化问题，具有两个纠缠问题的级别。非分布的二聚体问题最近通过新的有效算法见证了显着的进展。但是，解决联合学习设置下的二杆优化问题的研究不足。我们确定高级评估中的高沟通成本是主要的瓶颈。因此，我们建议\ textit {comm-fedbio}解决一般联合的双杆优化问题；更具体地说，我们提出了两个沟通效率的子例程，以估计高级别。还提供了所提出算法的收敛分析。最后，我们应用提出的算法来解决嘈杂的标签问题。与各种基线相比，我们的方法在几个现实世界数据集上表现出了出色的性能。

在过去的几年中，各种通信压缩技术已经出现为一个不可或缺的工具，有助于缓解分布式学习中的通信瓶颈。然而，尽管{\ em偏见}压缩机经常在实践中显示出卓越的性能，但与更多的研究和理解的{\ EM无偏见}压缩机相比，非常少见。在这项工作中，我们研究了三类偏置压缩操作员，其中两个是新的，并且它们在施加到（随机）梯度下降和分布（随机）梯度下降时的性能。我们首次展示偏置压缩机可以在单个节点和分布式设置中导致线性收敛速率。我们证明了具有错误反馈机制的分布式压缩SGD方法，享受ergodic速率$ \ mathcal {o} \ left（\ delta l \ exp [ - \ frac {\ mu k} {\ delta l}] + \ frac {（c + \ delta d）} {k \ mu} \右）$，其中$ \ delta \ ge1 $是一个压缩参数，它在应用更多压缩时增长，$ l $和$ \ mu $是平滑性和强凸常数，$ C $捕获随机渐变噪声（如果在每个节点上计算完整渐变，则$ C = 0 $如果在每个节点上计算），则$ D $以最佳（$ d = 0 $ for over参数化模型）捕获渐变的方差）。此外，通过对若干合成和经验的通信梯度分布的理论研究，我们阐明了为什么和通过多少偏置压缩机优于其无偏的变体。最后，我们提出了几种具有有希望理论担保和实际表现的新型偏置压缩机。

联合学习（FL）是机器学习的一个子领域，在该子机学习中，多个客户试图在通信约束下通过网络进行协作学习模型。我们考虑在二阶功能相似性条件和强凸度下联合优化的有限和联合优化，并提出了两种新算法：SVRP和催化的SVRP。这种二阶相似性条件最近越来越流行，并且在包括分布式统计学习和差异性经验风险最小化在内的许多应用中得到满足。第一种算法SVRP结合了近似随机点评估，客户采样和降低方差。我们表明，当功能相似性足够高时，SVRP是沟通有效的，并且在许多现有算法上取得了卓越的性能。我们的第二个算法，催化的SVRP，是SVRP的催化剂加速变体，在二阶相似性和强凸度下，现有的联合优化算法可实现更好的性能，并均匀地改善了现有的算法。在分析这些算法的过程中，我们提供了可能具有独立关注的随机近端方法（SPPM）的新分析。我们对SPPM的分析很简单，允许进行近似近端评估，不需要任何平滑度假设，并且在通信复杂性上比普通分布式随机梯度下降显示出明显的好处。

SGD在分布式和多GPU系统上的实现创建了新的漏洞，可以通过一个或多个对抗代理来识别和滥用这些漏洞。最近，已经显示出众所周知的拜占庭式弹性梯度聚集方案确实容易受到可以定制攻击的知情攻击者的影响（Fang等，2020; Xie等，2020b）。我们介绍了Mixtailor，这是一种基于聚合策略的随机化计划，使攻击者无法充分了解。确定性方案可以直接将其集成到混合式尾勒中，而无需引入任何其他超参数。随机化降低了强大的对手来量身定制其攻击的能力，而随之而来的随机聚合方案在性能方面仍然具有竞争力。对于IID和非IID设置，我们建立了几乎确定的融合保证，这些保证既比文献中可用的融合更强大，更一般。我们在各种数据集，攻击和设置中进行的实证研究验证了我们的假设，并表明当知名的拜占庭耐受性计划失败时，Mixtailor会成功辩护。

由于培训数据集的大小爆炸，分布式学习近年来受到了日益增长的兴趣。其中一个主要瓶颈是中央服务器和本地工人之间的沟通成本。虽然已经证明错误反馈压缩以通过随机梯度下降（SGD）降低通信成本，但在培训大规模机器学习方面广泛用于培训的通信有效的适应性梯度方法楷模。在本文中，我们提出了一种新的通信 - 压缩AMSGRAD，用于分布式非透明的优化问题，可提供有效的效率。我们所提出的分布式学习框架具有有效的渐变压缩策略和工人侧模型更新设计。我们证明所提出的通信有效的分布式自适应梯度方法会聚到具有与随机非凸化优化设置中的未压缩的vanilla amsgrad相同的迭代复杂度的一阶静止点。关于各种基准备份我们理论的实验。

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.