开发 | 分布式机器学习时代即将来临？谷歌推出“Federated Learning”

传统机器学习方法，需要把训练数据集中于某一台机器或是单个数据中心里。谷歌等云服务巨头还建设了规模庞大的云计算基础设施，来对数据进行处理。现在，为利用移动设备上的人机交互来训练模型，谷歌发明了一个新名词——Federated Learning。

谷歌表示，这会是机器学习的另一大未来发展方向。

那么，什么是 Federated Learning？

它意为“联合学习”——能使多台智能手机以协作的形式，学习共享的预测模型。与此同时，所有的训练数据保存在终端设备。这意味着在 Federated Learning 的方式下，把数据保存在云端，不再是搞大规模机器学习的必要前提。

最重要的一点：Federated Learning 并不仅仅是在智能手机上运行本地模型做预测 （比如 Mobile Vision API 和 On-Device Smart Reply），而更进一步，让移动设备能够协同进行模型训练。

工作原理

Federated Learning 的工作方式如下：

• 智能手机下载当前版本的模型
• 通过学习本地数据来改进模型
• 把对模型的改进，概括成一个比较小的专门更新
• 该更新被加密发送到云端
• 与其他用户的更新即时整合，作为对共享模型的改进

所有的训练数据仍然在每名终端用户的设备中，个人更新不会在云端保存。

整个过程有三个关键环节：

1. 根据用户使用情况，每台手机在本地对模型进行个性化改进
2. 形成一个整体的模型修改方案
3. 应用于共享的模型

该过程会不断循环。

谷歌表示，Federated Learning 的主要优点有：

• 更智能的模型
• 低延迟
• 低功耗
• 保障用户隐私

另外，在向共享模型提供更新之外；本地的改进模型可以即时使用，这能向用户提供个性化的使用体验。

谷歌输入法

目前，谷歌正在谷歌输入法 Gboard 上测试 Federated Learning。当 Gboard 显示推荐搜索项，不论用户是否最终点击了推荐项，智能手机会在本地存储相关信息。Federated Learning 会对设备历史数据进行处理，然后对 Gboard 检索推荐模型提出改进。

与推荐算法很像，但模型更新先在本地发生，再到云端整合。

技术挑战与解决方案

谷歌表示，实现 Federated Learning 有许多算法、技术上的挑战，比方说：

在典型的机器学习系统中，超大型数据集会被平均分割到云端的多个服务器上，像随机梯度下降（SGD）这样的优化算法便运行于其上。这类反复迭代的算法，与训练数据之间需要低延迟、高吞吐量的连接。而在 Federated Learning 的情况下，数据以非常不平均的方式分布在数百万的移动设备上。相比之下，智能手机的延迟更高、网络吞吐量更低，并且仅可在保证用户日常使用的前提下，断断续续地进行训练。

为解决这些带宽、延迟问题，谷歌开发出一套名为 Federated Averaging 的算法。相比原生的 Federated Learning 版本随机梯度下降，该算法对训练深度神经网络的通讯要求，要低 10 到 100 倍。谷歌的核心思路，是利用智能移动设备的强大处理器来计算出更高质量的更新，而不仅仅是优化。做一个好模型，高质量的更新会意味着迭代次数的减少。因此，模型训练能够减少通讯需求。

由于上行速度一般比下行速度慢很多，谷歌还开发了一种比较新奇的方式，将上行通讯需求再次减少的 100 倍之多：使用随机 rotation 和 quantization 来压缩更新。虽然这些解决方案聚焦于训练深度网络，谷歌还设计了一个针对高维稀疏 convex 模型的算法，特别擅长点击率预测等问题。

在数百万不同的智能手机上部署 Federated Learning，需要非常复杂的技术整合。设备本地的模型训练，使用的是迷你版的 TensorFlow。非常细致的 scheduling 系统，保证只有用户手机闲置、插着电、有 Wi-Fi 时才训练模型。所以在智能手机的日常使用中，Federated Learning 并不会影响性能。

谷歌强调， Federated Learning 不会在用户体验上做任何妥协。保证了此前提，用户手机才会加入 Federated Learning。

然后，该系统需要以安全、高效、可扩展、可容错的方式对模型更新进行整合。

Federated learning 不需要在云端存储用户数据。但为避免用户隐私泄露，谷歌更进一步，开发了一个名为 Secure Aggregation、使用加密技术的协议。由于此草案，系统服务器只能够解码至少 100 或 1000 名用户参与的平均更新。在整合以前，用户的个体更新不能被查看。

这是世界上第一个此类协议，对于深度网络层级的问题以及现实通讯瓶颈具有使用价值。谷歌表示，设计 Federated Averaging，是为了让服务器只需要整合后的更新，让 Secure Aggregation 能够派上用场。另外，该草案具有通用潜力，能够应用于其他问题。谷歌正在加紧研发该协议产品级的应用执行。

小结

谷歌表示，Federated learning 的潜力十分巨大，现在只不过探索了它的皮毛。但它无法用来处理所有的机器学习问题。对于许多其他模型，必需的训练数据已经存在云端 （比如训练 Gmail 的垃圾邮件过滤器）。因此，谷歌表示会继续探索基于云计算的 ML，但同时“下定决心”不断拓展 Federated Learning 的功能。目前，在谷歌输入法的搜索推荐之外，谷歌希望根据手机输入习惯改进语言模型；以及根据图片浏览数据改进图片排列。

对 Federated Learning 进行应用，需要机器学习开发者采用新的开发工具以及全新思路——从模型开发、训练一直到模型评估。

今后，Federated Learning 是否会成为 AI 领域的一大主题，还是像网状网络技术那样停留在实验室中，我们拭目以待。

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