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Group Knowledge Transfer: Federated Learning of Large CNNs at the Edge

计算机科学 GSM演进的增强数据速率 卷积神经网络 边缘设备 边缘计算 学习迁移 计算 人工智能 深度学习 计算机工程 机器学习 算法 操作系统 云计算
作者
Chaoyang He,Murali Annavaram,Salman Avestimehr
出处
期刊:Cornell University - arXiv 被引量:163
标识
DOI:10.48550/arxiv.2007.14513
摘要

Scaling up the convolutional neural network (CNN) size (e.g., width, depth, etc.) is known to effectively improve model accuracy. However, the large model size impedes training on resource-constrained edge devices. For instance, federated learning (FL) may place undue burden on the compute capability of edge nodes, even though there is a strong practical need for FL due to its privacy and confidentiality properties. To address the resource-constrained reality of edge devices, we reformulate FL as a group knowledge transfer training algorithm, called FedGKT. FedGKT designs a variant of the alternating minimization approach to train small CNNs on edge nodes and periodically transfer their knowledge by knowledge distillation to a large server-side CNN. FedGKT consolidates several advantages into a single framework: reduced demand for edge computation, lower communication bandwidth for large CNNs, and asynchronous training, all while maintaining model accuracy comparable to FedAvg. We train CNNs designed based on ResNet-56 and ResNet-110 using three distinct datasets (CIFAR-10, CIFAR-100, and CINIC-10) and their non-I.I.D. variants. Our results show that FedGKT can obtain comparable or even slightly higher accuracy than FedAvg. More importantly, FedGKT makes edge training affordable. Compared to the edge training using FedAvg, FedGKT demands 9 to 17 times less computational power (FLOPs) on edge devices and requires 54 to 105 times fewer parameters in the edge CNN. Our source code is released at FedML (https://fedml.ai).

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