• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
20.12.2024
ФизТех
286

Новые алгоритмы ускоряют машинное обучение в децентрализованных сетях

4.4

Международная команда ученых совершила прорыв в области распределенного машинного обучения, разработав новые алгоритмы, значительно повышающие эффективность обучения моделей в федеративных сетях. Исследование, проведенное группой, куда вошли специалисты МФТИ, представляет собой значительный шаг вперед в решении проблемы высокой вычислительной сложности обучения больших моделей в распределенных системах.

Сравнение новых четырех предложенных методов (Q-NASTYA, DIANA-NASTYA, Q-RR, DIANA-RR) и существующих (FedCOM, FedPAQ) с настроенными размерами шагов и компрессором Rand-k. / © NeurIPS 2024

Результаты опубликованы в материалах конференции NeurIPS 2024. Современное машинное обучение часто опирается на обучение моделей на огромных объемах данных, что требует распределенных вычислений. Федеративное обучение (Federated Learning, FL) — это подход, позволяющий обучать модели на децентрализованных данных, хранящихся на множестве устройств (смартфоны, медицинские приборы и так далее), без прямого обмена этими данными.

Ключевая проблема федеративного обучения заключается в высокой коммуникационной сложности. А именно передача данных и вычисление градиентов на основе них (векторов, характеризующих направление изменения параметров модели) становится проблемой, которая замедляет весь процесс обучения. Коммуникационная сложность заключается в огромном количестве передач данных по сети, необходимых для достижения заданной точности решения.

Обычно для решения этой проблемы используют стохастический градиентный спуск. Он основан на том, чтобы использовать неполную информацию для вычисления градиента, выбирая используемые данные для этого случайным образом. такие методы делятся на методы с возвращением и без возвращения. При выборе с возвращением один и тот же набор данных может быть выбран несколько раз, а при выборе без возвращения каждый набор данных выбирается только один раз.

В свежей статье, представленной на конференции NeurIPS 2024, авторы предлагают новые подходы. Они разработали четыре новых алгоритма, сочетающие сжатие градиентов с методом случайной перестановки и локальными вычислениями.


Сравнение алгоритмов Q-RR, QSGD, DIANA и DIANA-RR в задаче обучения глубокой нейронной сети / © NeurIPS 2024

Первый новый алгоритм они назвали Q-RR (Quantized Random Reshuffling). Это самый наивный подход, сочетающий сжатие градиентов и метод перестановки. К сожалению, теоретический анализ показал, что этот метод не демонстрирует преимуществ перед традиционными методами сжатия градиентов.

Второй предложенный учеными метод, названный ими DIANA-RR, является модификацией первого. Они улучшили предыдущий подход, добавив снижение дополнительной дисперсии, которая возникла из-за сжатия градиентов. В результате им удалось получить алгоритм, который имеет лучшую скорость сходимости, чем существующие аналоги, основанные на выборке с возвращением.

Для лучшей адаптации к задачам федеративного обучения ученые расширили алгоритмы Q-RR и DIANA-RR, добавив локальные вычислительные шаги. Так они получили ещё два новых метода, которые назвали Q-NASTYA и DIANA-NASTYA. Эти методы используют разные размеры шагов для локальных и глобальных обновлений. Однако при этом и DIANA-NASTYA, и DIANA-RR предназначены для уменьшения дополнительной дисперсии, вносимой сжатием градиентов.

Авторы исследования провели теоретический анализ и три численных эксперимента, которые подтвердили эффективность предложенных алгоритмов. Алгоритмы DIANA-RR и DIANA-NASTYA значительно превосходят по скорости сходимости существующие методы, особенно при высокой степени сжатия градиентов и в условиях, когда требуется высокая точность.

Для моделирования в первых двух экспериментах авторы использовали решение бинарной проблемы классификации (проверке принадлежности объектов к одному из двух классов) методом логистической регрессии с регуляризацией. В первых двух экспериментах они сравнивали между собой локальные и нелокальные методы.

Оказалось, что результаты, наблюдаемые в численных экспериментах, идеально соответствовали выведенной теории.

В третьем эксперименте авторы использовали нелокальные методы для распределенного машинного обучения глубокой нейронной сети, и в нем новые методы тоже показали свое преимущество над традиционными подходами.

«Многие существующие работы в области федеративного обучения рассматривают методы стохастического градиентного спуска с возвращением. Однако недавно удалось показать как теоретически, так и практически, что методы, основанные на выборке без возвращения, например, метод случайной перестановки, работают лучше», — рассказал Абдурахмон Садиев, научный сотрудник лаборатории численных методов прикладной структурной оптимизации ФПМИ МФТИ.

Разработанные алгоритмы представляют собой важный вклад в область федеративного обучения, позволяя существенно ускорить процесс обучения больших моделей при ограниченных коммуникационных ресурсах. Это открывает новые возможности для применения машинного обучения в различных областях, где важна защита конфиденциальности данных. Дальнейшие исследования будут направлены на оптимизацию алгоритмов и их адаптацию к более сложным задачам федеративного обучения.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
9 часов назад
Игорь Байдов

В архивах английского поместья столетиями пылилась ничем не примечательная книга учета XVI века. Никто не подозревал, что внутри ее переплета скрываются фрагменты пергамента с историями, которые переписывали монахи семь веков назад. Тайна раскрылась, когда архивариус заметил странные символы на обложке. Так началось расследование, объединившее разных ученых. Исследователи три года пытались прочитать текст, не прикасаясь к нему. Теперь они представили результат своего труда — мир получил два ранее неизвестных эпизода о волшебнике Мерлине, короле Артуре и рыцаре Гавейне.

3 часа назад
Татьяна

Два ключевых события сыграли решающую роль в формировании генетического профиля современных европейских народов. Первое связано с приходом ранних фермеров из Анатолии примерно восемь тысяч лет назад, второе — масштабная миграция на запад носителей ямной степной культуры, начавшаяся пять тысяч лет назад. Однако ученые видят множество отличий от общей картины в разных регионах. В новой работе они проанализировали ДНК древних жителей самого северо-запада Европы и обнаружили более тесную связь с охотниками-собирателями, чем где бы то ни было.

Вчера, 11:42
Андрей

Американские зоологи задались вопросом: как можно улучшить условия содержания птиц в неволе? Они добавили в лабораторные клетки подстилку из искусственной травы, чтобы птица могла питаться в знакомой среде, а не из стандартной миски. Опыты проводили на воробьях — исследователи несколько недель замеряли их реакцию на стресс. Результаты показали, что искусственная трава может улучшить состояние птиц в неволе, но переселять их потом не стоит.

27 марта
Сколтех

Ученые из Сколтеха исследовали разнообразие молекул, которые могут образовываться из атомов кислорода и углерода. Помимо широко известных углекислого и угарного газов, моделирование обнаружило две сотни экзотических, но относительно стабильных соединений этих двух элементов, многие из которых не были описаны ранее. Этот класс веществ представляет интерес для исследований космоса, аккумуляторных технологий, биохимии и — неожиданным образом — для разработки промышленной взрывчатки и ракетного топлива. Как оказалось, некоторые из открытых веществ при распаде будут высвобождать более 75 процентов взрывной энергии тротила.

27 марта
Березин Александр

Antares и Exlabs подписали соглашения о сотрудничестве в разработке космического зонда с ядерным двигателем. В ее рамках разработчики планируют вывести реактор в космос уже в 2020-х годах — впервые в XXI веке.

9 часов назад
Игорь Байдов

В архивах английского поместья столетиями пылилась ничем не примечательная книга учета XVI века. Никто не подозревал, что внутри ее переплета скрываются фрагменты пергамента с историями, которые переписывали монахи семь веков назад. Тайна раскрылась, когда архивариус заметил странные символы на обложке. Так началось расследование, объединившее разных ученых. Исследователи три года пытались прочитать текст, не прикасаясь к нему. Теперь они представили результат своего труда — мир получил два ранее неизвестных эпизода о волшебнике Мерлине, короле Артуре и рыцаре Гавейне.

15 марта
Юлия Трепалина

Когда пара расстается, многие люди продолжают испытывать чувства к своим бывшим. Если разрыв произошел по инициативе другой стороны и отношения длились много лет, полностью «забыть» еще недавно близкого человека может быть непросто. Существует мнение, что и после расставания привязанность к экс-партнерам в какой-то мере сохраняется. Впрочем, согласно другой точке зрения, со временем эта эмоциональная связь ослабевает и утрачивается. Разобраться, как происходит на самом деле и сколько времени может потребоваться на полный эмоциональный разрыв с бывшими возлюбленными, взялись психологи из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне (США).

6 марта
Юлия Трепалина

В двойственных, или обратимых, изображениях зритель может увидеть разные объекты в зависимости от того, на каких деталях концентрируется его внимание. Среди известных примеров таких рисунков — иллюзия «кролик-утка», сочетающая двух животных, и обратимая ваза (или ваза Рубина), которая может казаться двумя силуэтами лиц, если сосредоточиться на фоне. В соцсетях и популярных СМИ часто публикуют подобные картинки, утверждая, что по тому, какое изображение человек видит в первую очередь, можно судить о его личностных чертах и особенностях мышления. Двое психологов из Великобритании недавно проверили, так ли это на самом деле.

18 марта
Илья

Масштабный анализ геномов показал, что вид Homo sapiens возник в результате смешения двух древних популяций. Они разделились полтора миллиона лет назад, а затем воссоединились до расселения по миру.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно