Strategic Optimization of Convergence and Energy in Federated Learning Systems
Notice bibliographique
Résumé
Federated Learning (FL) is a Machine Learning (ML) paradigm in which multiple devices collaboratively train a model without sharing their local data. This decentralized approach provides significant privacy benefits, enabling compliance with data protection regulations and safeguarding sensitive user information by keeping raw data on local devices. Instead of transmitting raw data, FL sends model updates to a central aggregator to improve the global model. However, this process can result in higher Carbon Dioxide (CO₂) emissions compared to traditional centralized ML systems, due to the increased number of participating devices and communication rounds. This study evaluates the performance, convergence speed, energy efficiency, and environmental impact of FL models compared to centralized models, using the Modified National Institute of Standards and Technology dataset (MNIST) and Canadian Institute for Advanced Research-10 classes dataset (CIFAR-10). Four models were tested: two FL models and two centralized models. The evaluation focused on accuracy, number of training rounds to convergence, and total CO₂ emissions. To optimize both convergence and energy efficiency, a dynamic hill-climbing-based early stopping technique was introduced. After every 100 rounds, model accuracy improvements were assessed, and training was terminated early if further gains fell below a shrinking threshold, effectively reducing unnecessary computation and energy consumption. Results show that, under the tested conditions, FL models achieved competitive or higher accuracy than centralized models, particularly on non-Independent and Identically Distributed (IID) data distributions. For example, the federated MNIST model reached 98.79% accuracy with a significantly lower carbon footprint when early stopping was applied. Overall, the proposed optimization approach reduced CO₂ emissions by approximately 60% without substantial loss in accuracy. By integrating privacy preservation, explicit regulatory relevance, and a practical dynamic optimization method, this research demonstrates that FL can deliver strong model performance while meeting modern requirements for data privacy and environmental sustainability
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,003 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,006 | 0,004 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».