論文の概要: $γ$-FedHT: Stepsize-Aware Hard-Threshold Gradient Compression in Federated Learning

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2505.12479v1
• Date: Sun, 18 May 2025 15:55:50 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-05-20 14:57:11.259036
• Title: $γ$-FedHT: Stepsize-Aware Hard-Threshold Gradient Compression in Federated Learning
• Title（参考訳）: $γ$-FedHT:フェデレートラーニングにおけるステップサイズ対応ハードディスクのグラディエント圧縮
• Authors: Rongwei Lu, Yutong Jiang, Jinrui Zhang, Chunyang Li, Yifei Zhu, Bin Chen, Zhi Wang,
• Abstract要約: グラディエント圧縮は、フェデレートラーニング(FL)におけるボトルネックを効果的に緩和する Error-Feedbackの基本的会話を紹介する。 我々は、$gamma$-FedHTがTop-k$よりも7.42%$まで精度を向上することを示した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 15.458263187587097
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Gradient compression can effectively alleviate communication bottlenecks in Federated Learning (FL). Contemporary state-of-the-art sparse compressors, such as Top-$k$, exhibit high computational complexity, up to $\mathcal{O}(d\log_2{k})$, where $d$ is the number of model parameters. The hard-threshold compressor, which simply transmits elements with absolute values higher than a fixed threshold, is thus proposed to reduce the complexity to $\mathcal{O}(d)$. However, the hard-threshold compression causes accuracy degradation in FL, where the datasets are non-IID and the stepsize $\gamma$ is decreasing for model convergence. The decaying stepsize reduces the updates and causes the compression ratio of the hard-threshold compression to drop rapidly to an aggressive ratio. At or below this ratio, the model accuracy has been observed to degrade severely. To address this, we propose $\gamma$-FedHT, a stepsize-aware low-cost compressor with Error-Feedback to guarantee convergence. Given that the traditional theoretical framework of FL does not consider Error-Feedback, we introduce the fundamental conversation of Error-Feedback. We prove that $\gamma$-FedHT has the convergence rate of $\mathcal{O}(\frac{1}{T})$ ($T$ representing total training iterations) under $\mu$-strongly convex cases and $\mathcal{O}(\frac{1}{\sqrt{T}})$ under non-convex cases, \textit{same as FedAVG}. Extensive experiments demonstrate that $\gamma$-FedHT improves accuracy by up to $7.42\%$ over Top-$k$ under equal communication traffic on various non-IID image datasets.
• Abstract（参考訳）: グラディエント圧縮は、フェデレートラーニング(FL)におけるコミュニケーションボトルネックを効果的に軽減することができる。 現在最先端のスパース圧縮機であるTop-$k$は、$\mathcal{O}(d\log_2{k})$まで高い計算複雑性を示し、$d$はモデルパラメータの数である。 固定しきい値よりも高い絶対値の要素を単に送信するハードスレッショルド圧縮機は、複雑さを$\mathcal{O}(d)$に減らすために提案される。 しかし、ハードスレッショルド圧縮は、データセットが非IIDであり、ステップサイズ$\gamma$がモデル収束のために減少するFLの精度劣化を引き起こす。 減衰段差は更新を減少させ、ハード閾値圧縮の圧縮比をアグレッシブ比に急速に低下させる。 この比以下では、モデルの精度が著しく低下することが観測されている。 これを解決するために,Error-Feedback を用いたステップサイズ対応の低コスト圧縮機である $\gamma$-FedHT を提案する。 FLの従来の理論的枠組みがエラーフィードバックを考慮していないことを考慮し、エラーフィードバックの基本的な議論を紹介する。 我々は、$\gamma$-FedHT が $\mathcal{O}(\frac{1}{T})$$$(T$) の収束率を $\mu$-strongly convex の場合と $\mathcal{O}(\frac{1}{\sqrt{T}})$ の非凸の場合とすると証明する。 大規模な実験により、$\gamma$-FedHTはTop-$k$よりも7.42\%$まで精度を向上することを示した。

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