客户的计算和通信能力有限，在资源有限的边缘节点上对联邦学习（FL）提出了重大挑战。解决此问题的一种潜在解决方案是部署现成的稀疏学习算法，该算法在每个客户端对二进制稀疏面膜进行训练，并期望训练一致的稀疏服务器掩码。但是，正如我们在本文中调查的那样，与使用密集的模型相比，这种天真的部署与FL相比，尤其是在低客户资源预算的情况下，其准确性下降了。特别是，我们的调查表明，对客户的训练有素的面具之间存在严重的共识，这阻止了服务器面罩上的收敛，并可能导致模型性能大大下降。基于这样的关键观察，我们提出了联合彩票意识到的稀疏狩猎（Flash），这是一个统一的稀疏学习框架，可以使服务器以稀疏的子模型赢得彩票，从而在高度资源有限的客户设置下可以极大地提高性能。此外，为了解决设备异质性的问题，我们利用我们的发现来提出异性恋，在此，客户可以根据其设备资源限制拥有不同的目标稀疏预算。各种数据集（IID和非IID）上有多个模型的广泛实验评估显示了我们模型的优势，最多可屈服$ \ Mathord {\ sim} 10.1 \％$ $提高精度，$ \ mathord {\ sim} 10.26 \ times与现有替代方案相比，在类似的高参数设置中，沟通成本少于$较少。

联合学习（FL）可以从云到资源限制的边缘设备分发机器学习工作负载。遗憾的是，当前的深网络不仅对边缘设备的推理和培训造成了太重，而且对于在带宽约束网络上传送更新，也太大了。在本文中，我们开发，实施和实验验证了所谓的联合动态稀疏训练（FEDDST）的新型FL框架，通过该训练可以通过该培训和培训复杂的神经网络，在设备上计算和网络内通信中具有基本上提高的效率。在FEDDST的核心是一个动态过程，可以从目标完整网络中提取和列出稀疏子网。通过这个方案，“两只鸟类用一块石头杀死：”而不是完整的模型，每个客户端都会对自己的稀疏网络进行有效的培训，并且在设备和云之间仅传输稀疏网络。此外，我们的结果表明，在流动训练期间的动态稀疏性更灵活地容纳比固定的共用稀疏面具的局部异质性。此外，动态稀疏性自然地引入了培训动态的“时间自化效应”，即使通过密集训练也会提高流程。在一个现实和挑战的非I.I.D。 FL Setting，FEDDST始终如一地优于我们的实验中的竞争算法：例如，在非IID CIFAR-10上的任何固定上传数据帽时，在给定相同的上传数据帽时，它会在FedVGM上获得令人印象深刻的精度优势;即使在上传数据帽2倍，也可以进一步展示FEDDST的疗效，即使FEDAVGM为2X，即使将FEDAVGM提供精度差距也会保持3％。代码可用：https://github.com/bibikar/feddst。

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。

Neural network pruning has been a well-established compression technique to enable deep learning models on resource-constrained devices. The pruned model is usually specialized to meet specific hardware platforms and training tasks (defined as deployment scenarios). However, existing pruning approaches rely heavily on training data to trade off model size, efficiency, and accuracy, which becomes ineffective for federated learning (FL) over distributed and confidential datasets. Moreover, the memory- and compute-intensive pruning process of most existing approaches cannot be handled by most FL devices with resource limitations. In this paper, we develop FedTiny, a novel distributed pruning framework for FL, to obtain specialized tiny models for memory- and computing-constrained participating devices with confidential local data. To alleviate biased pruning due to unseen heterogeneous data over devices, FedTiny introduces an adaptive batch normalization (BN) selection module to adaptively obtain an initially pruned model to fit deployment scenarios. Besides, to further improve the initial pruning, FedTiny develops a lightweight progressive pruning module for local finer pruning under tight memory and computational budgets, where the pruning policy for each layer is gradually determined rather than evaluating the overall deep model structure. Extensive experimental results demonstrate the effectiveness of FedTiny, which outperforms state-of-the-art baseline approaches, especially when compressing deep models to extremely sparse tiny models.

分布式深度学习框架，如联合学习（FL）及其变体都是在广泛的Web客户端和移动/ IOT设备上实现个性化体验。然而，由于模型参数的爆炸增长（例如，十亿参数模型），基于FL的框架受到客户的计算资源的限制。拆分学习（SL），最近的框架，通过拆分客户端和服务器之间的模型培训来减少客户端计算负载。这种灵活性对于低计算设置非常有用，但通常以带宽消耗的增加成本而实现，并且可能导致次优化会聚，尤其是当客户数据异构时。在这项工作中，我们介绍了adasplit，通过降低带宽消耗并提高异构客户端的性能，使得能够将SL有效地缩放到低资源场景。为了捕获和基准的分布式深度学习的多维性质，我们还介绍了C3分数，是评估资源预算下的性能。我们通过与强大联邦和分裂学习基线的大量实验比较进行了大量实验比较，验证了adasplit在有限的资源下的有效性。我们还展示了adasplit中关键设计选择的敏感性分析，该选择验证了adasplit在可变资源预算中提供适应性权衡的能力。

高效联合学习是在边缘设备上培训和部署AI模型的关键挑战之一。然而，在联合学习中维护数据隐私提出了几种挑战，包括数据异质性，昂贵的通信成本和有限的资源。在本文中，我们通过（a）通过基于本地客户端的深度增强学习引入突出参数选择代理的上述问题，并在中央服务器上聚合所选择的突出参数，（b）分割正常的深度学习模型〜 （例如，CNNS）作为共享编码器和本地预测器，并通过联合学习训练共享编码器，同时通过本地自定义预测器将其知识传送到非IID客户端。所提出的方法（a）显着降低了联合学习的通信开销，并加速了模型推断，而方法（b）则在联合学习中解决数据异质性问题。此外，我们利用梯度控制机制来校正客户之间的梯度异质性。这使得训练过程更稳定并更快地收敛。实验表明，我们的方法产生了稳定的训练过程，并与最先进的方法相比实现了显着的结果。在培训VGG-11时，我们的方法明显降低了通信成本最高108 GB，并在培训Reset-20时需要7.6美元的通信开销，同时通过减少高达39.7 \％$ 39.7 \％$ vgg- 11.

最近联合学习（FL）范式的潜在假设是本地模型通常与全局模型共享与全局模型相同的网络架构，这对于具有不同的硬件和基础架构的移动和IOT设备变得不切实际。可扩展的联合学习框架应该解决配备不同计算和通信功能的异构客户端。为此，本文提出了一种新的联合模型压缩框架，它将异构低级模型分配给客户端，然后将它们聚合到全局全级模型中。我们的解决方案使得能够培训具有不同计算复杂性的异构本地模型，并汇总单个全局模型。此外，FEDHM不仅降低了设备的计算复杂性，而且还通过使用低秩模型来降低通信成本。广泛的实验结果表明，我们提出的\ System在测试顶-1精度（平均精度4.6％的精度增益）方面优于现行修剪的液体方法，在各种异构流域下较小的型号尺寸（平均较小为1.5倍） 。

联合学习（FL）是一种有效的学习框架，可帮助由于隐私和监管限制无法与集中式服务器共享数据时，帮助分布式机器学习。 FL使用基于预定义体系结构的学习的最新进展。然而，考虑到客户端的数据对服务器和数据分布是不可相同的客户端，在集中设置中发现的预定义体系结构可能不是FL中所有客户端的最佳解决方案。在这项工作中受到这项挑战的动机，我们介绍了蜘蛛，这是一种旨在搜索用于联合学习的个性化神经结构的算法框架。蜘蛛是根据两个独特特征设计的：（1）交替地以通用的方式优化一个架构 - 均匀的全球模型（Supernet），一个架构 - 异构本地模型，由基于重量共享的正则化连接到全球模型（2通过新颖的神经结构搜索（NAS）方法实现架构异构本地模型，其可以使用对准确值的操作级别扰动来逐渐选择最佳子网。实验结果表明，蜘蛛优于其他最先进的个性化方法，搜索的个性化架构更加推理效率。

在存在参与者的非IID数据分布的情况下，经典联合学习方法会产生明显的绩效降解。当每个本地数据集的分布与全局数据集有很大不同时，每个客户端的本地目标将与全局Optima不一致，从而导致本地更新中的漂移。这种现象极大地影响了客户的表现。这是为了让客户参加联合学习的主要动力是获得更好的个性化模型。为了解决上述问题，我们提出了一种新的算法弗利斯（Flis），该算法通过利用客户模型的推理相似性，将客户人口与可共同训练数据分布的群集分组。该框架捕获了设置，其中不同的用户组具有自己的目标（学习任务），但通过在同一集群（相同的学习任务）中汇总其数据以执行更有效和个性化的联合学习。我们提出了实验结果，以证明FLIS比CIFAR-100/10，SVHN和FMNIST数据集的最先进基准的好处。我们的代码可在https://github.com/mmorafah/flis上找到。

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。

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。

自动语音识别模型需要大量的语音数据进行培训，并且此类数据的收集通常会导致隐私问题。联合学习已被广泛使用，被认为是一种有效的分散技术，通过协作学习共享的预测模型，同时将数据保留在不同客户端设备上。但是，客户设备上有限的计算和通信资源给大型模型带来了实际困难。为了克服此类挑战，我们建议联合修剪以在联合环境下训练还原模型，同时与完整模型相比保持相似的性能。此外，与集中式培训相比，还可以利用大量客户数据来改善修剪结果。我们探索不同的修剪方案，并提供了我们方法有效性的经验证据。

跨不同边缘设备（客户）局部数据的分布不均匀，导致模型训练缓慢，并降低了联合学习的准确性。幼稚的联合学习（FL）策略和大多数替代解决方案试图通过加权跨客户的深度学习模型来实现更多公平。这项工作介绍了在现实世界数据集中遇到的一种新颖的非IID类型，即集群键，其中客户组具有具有相似分布的本地数据，从而导致全局模型收敛到过度拟合的解决方案。为了处理非IID数据，尤其是群集串数据的数据，我们提出了FedDrl，这是一种新型的FL模型，它采用了深厚的强化学习来适应每个客户的影响因素（将用作聚合过程中的权重）。在一组联合数据集上进行了广泛的实验证实，拟议的FEDDR可以根据CIFAR-100数据集的平均平均为FedAvg和FedProx方法提高了有利的改进，例如，高达4.05％和2.17％。

尽管结果令人印象深刻，但深度学习的技术还引起了经常在数据中心进行的培训程序引起的严重隐私和环境问题。作为回应，已经出现了集中培训的替代方案，例如联邦学习（FL）。也许出乎意料的是，FL开始在全球范围内部署，这些公司必须遵守源自倡导隐私保护的政府和社会团体的新法律要求和政策。 \ textit {但是，与FL有关的潜在环境影响仍然不清楚和未开发。本文提供了有关佛罗里达碳足迹的首次系统研究。然后，我们将FL的碳足迹与传统的集中学习进行了比较。我们的发现表明，根据配置，FL可以比集中的机器学习高达两个数量级。但是，在某些情况下，由于嵌入式设备的能源消耗减少，它可以与集中学习相提并论。我们使用FL进行了不同类型的数据集，设置和各种深度学习模型的广泛实验。最后，我们强调并将报告的结果与FL的未来挑战和趋势联系起来，以减少其环境影响，包括算法效率，硬件能力和更强的行业透明度。

随着对用户数据隐私的越来越关注，联合学习（FL）已被开发为在边缘设备上训练机器学习模型的独特培训范式，而无需访问敏感数据。传统的FL和现有方法直接在云服务器的同一型号和培训设备的所有边缘上采用聚合方法。尽管这些方法保护了数据隐私，但它们不能具有模型异质性，甚至忽略了异质的计算能力，也可以忽略陡峭的沟通成本。在本文中，我们目的是将资源感知的FL汇总为从边缘模型中提取的本地知识的集合，而不是汇总每个本地模型的权重，然后将其蒸馏成一个强大的全局知识，作为服务器模型通过知识蒸馏。通过深入的相互学习，将本地模型和全球知识提取到很小的知识网络中。这种知识提取使Edge客户端可以部署资源感知模型并执行多模型知识融合，同时保持沟通效率和模型异质性。经验结果表明，在异质数据和模型中的通信成本和概括性能方面，我们的方法比现有的FL算法有了显着改善。我们的方法将VGG-11的沟通成本降低了102美元$ \ times $和Resnet-32，当培训Resnet-20作为知识网络时，最多可达30美元$ \ times $。

联合学习（FL）允许相互不信任的客户可以协作培训通用的机器学习模型，而无需共享其私人/专有培训数据。不幸的是，FL很容易受到恶意客户的中毒，他们旨在通过在FL培训过程中发送恶意模型更新来阻碍常见训练的模型的准确性。我们认为，对现有FL系统的中毒攻击成功的关键因素是客户可用的模型更新空间，使恶意客户可以通过解决优化问题来搜索最有毒的模型更新。为了解决这个问题，我们提出了联合排名学习（FRL）。 FRL将标准FL中的模型参数更新（浮点数连续空间）从模型参数更新（一个连续的空间）缩小到参数排名的空间（整数值的离散空间）。为了能够使用参数等级（而不是参数权重）训练全球模型，FRL利用了最近的SuperMasks培训机制的想法。具体而言，FRL客户端根据其本地培训数据对随机初始化的神经网络（由服务器提供）的参数进行排名。 FRL Server使用投票机制来汇总客户在每个培训时期提交的参数排名，以生成下一个培训时期的全球排名。从直觉上讲，我们基于投票的聚合机制阻止中毒客户对全球模型进行重大的对抗性修改，因为每个客户都会进行一次投票！我们通过分析证明和实验证明了FRL对中毒的鲁棒性。我们还显示了FRL的高沟通效率。我们的实验证明了FRL在现实世界中的优势。

在存在数据掠夺性保存问题的情况下，有效地在许多设备和资源限制上（尤其是在边缘设备上）的有效部署深度神经网络是最具挑战性的问题之一。传统方法已经演变为改善单个全球模型，同时保持每个本地培训数据分散（即数据杂质性），或者培训一个曾经是一个曾经是一个曾经是的网络，该网络支持多样化的建筑设置，以解决配备不同计算功能的异质系统（即模型杂种）。但是，很少的研究同时考虑了这两个方向。在这项工作中，我们提出了一个新颖的框架来考虑两种情况，即超级网训练联合会（FEDSUP），客户在该场景中发送和接收一条超级网，其中包含从本身中采样的所有可能的体系结构。它的灵感来自联邦学习模型聚合阶段（FL）中平均参数的启发，类似于超级网训练中的体重分享。具体而言，在FedSup框架中，训练单射击模型中广泛使用的重量分享方法与联邦学习的平均（FedAvg）结合在一起。在我们的框架下，我们通过将子模型发送给广播阶段的客户来降低沟通成本和培训间接费用，提出有效的算法（电子馈SUP）。我们展示了几种增强FL环境中超网训练的策略，并进行广泛的经验评估。结果框架被证明为在几个标准基准上的数据和模型杂质性的鲁棒性铺平了道路。

Federated Learning allows multiple parties to jointly train a deep learning model on their combined data, without any of the participants having to reveal their local data to a centralized server. This form of privacy-preserving collaborative learning however comes at the cost of a significant communication overhead during training. To address this problem, several compression methods have been proposed in the distributed training literature that can reduce the amount of required communication by up to three orders of magnitude. These existing methods however are only of limited utility in the Federated Learning setting, as they either only compress the upstream communication from the clients to the server (leaving the downstream communication uncompressed) or only perform well under idealized conditions such as iid distribution of the client data, which typically can not be found in Federated Learning. In this work, we propose Sparse Ternary Compression (STC), a new compression framework that is specifically designed to meet the requirements of the Federated Learning environment. STC extends the existing compression technique of top-k gradient sparsification with a novel mechanism to enable downstream compression as well as ternarization and optimal Golomb encoding of the weight updates. Our experiments on four different learning tasks demonstrate that STC distinctively outperforms Federated Averaging in common Federated Learning scenarios where clients either a) hold non-iid data, b) use small batch sizes during training, or where c) the number of clients is large and the participation rate in every communication round is low. We furthermore show that even if the clients hold iid data and use medium sized batches for training, STC still behaves paretosuperior to Federated Averaging in the sense that it achieves fixed target accuracies on our benchmarks within both fewer training iterations and a smaller communication budget. These results advocate for a paradigm shift in Federated optimization towards high-frequency low-bitwidth communication, in particular in bandwidth-constrained learning environments.

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。

Federated Learning (FL) is extensively used to train AI/ML models in distributed and privacy-preserving settings. Participant edge devices in FL systems typically contain non-independent and identically distributed~(Non-IID) private data and unevenly distributed computational resources. Preserving user data privacy while optimizing AI/ML models in a heterogeneous federated network requires us to address data heterogeneity and system/resource heterogeneity. Hence, we propose \underline{R}esource-\underline{a}ware \underline{F}ederated \underline{L}earning~(RaFL) to address these challenges. RaFL allocates resource-aware models to edge devices using Neural Architecture Search~(NAS) and allows heterogeneous model architecture deployment by knowledge extraction and fusion. Integrating NAS into FL enables on-demand customized model deployment for resource-diverse edge devices. Furthermore, we propose a multi-model architecture fusion scheme allowing the aggregation of the distributed learning results. Results demonstrate RaFL's superior resource efficiency compared to SoTA.