NVIDIA、FLARE を活用した連合型多モーダル AI ワークフロー構築を公開
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NVIDIA は FLARE を用いた連合学習の設計指針を提示し、VLM や統一マルチモーダルモデル(UMM)における大規模更新の転送・集約課題を解決する外部化やストリーミング技術を解説した。
AI深層分析を開く2026年8月20日 04:22
AI深層分析
キーポイント
連合学習における VLM の技術的課題
データが分散している環境でビジョン言語モデル(VLM)を適応させる際、タスクやモダリティの組み合わせが異なるクライアントでの更新調整と、ネットワーク帯域・メモリへの負荷という2つの工学的問題が発生する。
NVIDIA FLARE による効率化手法
NVIDIA FLARE は外部化(externalization)、テンストリーム(tensor streaming)、ディスクバック型集約(disk-backed aggregation)といった技術により、大規模なモデル更新を効率的に転送・処理する仕組みを提供する。
FedUMM と研究実績の紹介
William & Mary と NVIDIA の共同開発による FedUMM は、凍結されたマルチモーダルバックボーン上に軽量アダプターを連合学習させる具体例であり、TheWebConf 2026 の FL@FM ワークショップで優秀学生論文賞を受賞した。
異なるタスクやモダリティへの対応と通信効率の課題
各サイトが異なるタスクやモダリティの組み合わせで訓練するため、クライアントの更新内容とその結合方法を定義する必要がある。また、フルモデルの更新はシリアライズ、転送、サーバーメモリへの保持にコストがかかるため、ストリーミングやディスクバック型の集約が重要となる。
パラメータ効率的なアプローチと既存手法
モデル重みではなく凝縮された知識を交換する手法や、事前学習済みバックボーンを凍結して軽量な構成要素のみを集約する手法が存在する。これらはそれぞれCreamFLやFedCLIPなどの研究で実証されている。
重要な引用
Federated learning provides a way to coordinate training across these data-local sites.
Sites may contribute different task or modality mixes, and model updates can be large enough to strain network bandwidth and server memory.
FedUMM ... received an Outstanding Student Paper Award at the FL@FM workshop at TheWebConf 2026.
Sites keep different mixes of images, text, and prompts local, while the server coordinates training and aggregates approved model updates.
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本記事は、データ分散化が必須となる現代の AI 開発において、技術的ボトルネックを解消する具体的な手法を提示している。特に学術界で評価された FedUMM の事例は、実装アプローチの一つとして参考になるだろう。
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現代のビジョン・ランゲージモデル(VLM)は、視覚的質問応答やキャプション生成、画像とテキストの推論などのタスクをサポートできます。しかし実際には、これらのモデルを適応させるために必要なデータが、複数の機関や組織に分散しており、生データを中央集約できないケースも少なくありません。
Federated learning(連合学習)は、こうしたデータローカライズされたサイト間でトレーニングを調整する手段を提供します。VLM の場合、課題は単なるオーケストレーションだけではありません。各サイトが貢献するタスクやモダリティの組み合わせが異なる可能性があり、モデル更新のサイズが大きすぎてネットワーク帯域幅やサーバーメモリの負荷になることもあります。
本稿では、連合型マルチモーダル AI ワークフローにおける 2 つの設計判断に焦点を当てます。すなわち、「どのモデル状態をネットワーク間でやり取りすべきか」と「それを効率的に転送・集約する方法」です。NVIDIA FLARE がどのようにしてサイト間での連合トレーニングを調整し、外部化(externalization)、テンストリーム(tensor streaming)、ディスクバックド集約を通じて大規模なモデル更新を処理するかを示します。
これらの設計上の問いは、単一のアーキテクチャ内で複数のモダリティとタスクをサポートする統一型マルチモーダルモデル(UMM)にも当てはまります。ウィリアム・アンド・メアリー大学と NVIDIA の共同開発による FedUMM は、凍結されたマルチモーダルバックボーン上で軽量アダプターを連合させることで、具体的な事例を示しています。
FedUMM は、NVIDIA アカデミック・グラント・プログラム NVIDIA Academic Grant Program の支援を受け、TheWebConf 2026 で開催された FL@FM ワークショップ FL@FM workshop において優秀学生論文賞を受賞しました。
なぜ VLM を連合学習(Federated Learning)するのは難しいのか?
集中型のアプローチでは、画像、キャプション、視覚的質問応答の例、生成プロンプトなどを一つのトレーニングパイプラインに流し込むことができます。しかし、連合学習の環境では、これらのデータが異なるデータセットやタスク構成、運用上の制約を持つ複数のサイト(クライアント)に分散されます。
これにより、2 つのエンジニアリング上の課題が生じます。まず、各サイトが扱うタスクやモダリティの組み合わせが異なるため、ワークフローにおいて「どのクライアントが何を更新し、その更新をどう統合するか」を明確に定義する必要があります。次に、モデル全体を更新する方式は、シリアライズや転送、サーバー側のメモリ確保のコストが高くなるという問題があります。
そこで重要となるのが、「何を連合学習の対象とするか」という判断です。既存のアプローチには、モデルの重みそのものを交換するのではなく、凝縮された知識(ディストillation)を交換するものもあります。また、事前学習済みバックボーンを凍結し、軽量なトレーニング可能なコンポーネントのみを集約する方法も存在します。
前者の例として CreamFL が挙げられ、後者の例としては FedCLIP、FedPIA、そして本稿で扱う FedUMM が挙げられます。より大規模な更新が必要な場合、システムはストリーミング処理やメモリ効率の良い集約手法もサポートする必要があります。
NVIDIA FLARE は、連合学習と協調計算のためのオープンソースで拡張性の高い Python SDK およびフレームワークであり、パラメータ効率型の通信パターンとフルモデルの両方の通信パターンをサポートしています。
図 1 に一般的なワークフローを示します。各サイトは画像、テキスト、プロンプトをそれぞれ異なる組み合わせでローカルに保持し、サーバーがトレーニングを調整して承認されたモデル更新値を集約します。大規模オブジェクトの外部化、テンソルのストリーミング、ディスクバックアップによる集約により、より大きなペイロードの管理が可能になります。

クライアント間でのトレーニング調整
NVIDIA FLARE のジョブでは、グローバルな調整とローカルの実行が明確に分離されています。サーバーはラウンドをスケジューリングして更新を集約し、各クライアントは自社のデータに対してトレーニングや評価を行います。サイト固有の前処理、プロンプトの構築、バッチ処理などはすべてクライアント内部で完結します。
NVIDIA FLARE Recipe API は、簡潔な出発点を提供します。FedAvg レシピは、モデルとクライアントのトレーニングスクリプトを組み合わせます。このレシピは、シミュレーション環境でも、実際にプロビジョニングされたマルチサイト展開環境でも実行可能です。
モデルを実装する前に、クライアント更新契約を定義する必要があります。具体的には、「何がローカルに留まるか」「何がサイト外へ送信されるか」「各クライアントがどのモデルコンポーネントを更新できるか」「どのメトリクスがサーバーへ返されるか」を明確にします。クライアントが異なるモデルコンポーネントを更新する場合、その契約ではこれらのコンポーネントレベルの更新をどのように結合するかについても規定する必要があります。
大規模なモデル更新の効率的な転送と集約
連合 VLM(Vision-Language Model)トレーニングにおける一般的なベースライン手法は、モデル全体のパラメータを微調整して集約することです。これにより、モデル更新のサイズが非常に大きくなります。多数のクライアントが連合に参加すると、2 つの異なるメモリ負荷が発生します。1 つ目は、1 つの更新を送信する際のシリアライズと転送にかかる負荷、2 つ目は、集約処理中に複数のクライアント更新をメモリ上に保持し続ける負荷です。NVIDIA FLARE は、これらの課題に対処するためのいくつかの機能をサポートしています。
大規模オブジェクトの外部化
NVIDIA FLARE では、メッセージ内の大規模なオブジェクトを軽量な参照に置き換え、実際のデータは別途転送することが可能です。これにより制御メッセージが小さくなり、通常のシリアライズ済みメッセージの制限を超えるペイロードも扱えるようになります。PyTorch のテンソルや NumPy 配列、一般的な FLARE 構造体にはビルトインのデコンポーザーが用意されており、アプリケーション固有のオブジェクトタイプに対してのみカスタムデコンポーザーが必要となります。
テンソルのストリーミング
PyTorch を用いたワークフローでは、FLARE Tensor Downloader がプルベースのプロトコルを用いてテンソルを逐次ストリーミングします。必要なチャンクのみがその都度シリアライズされるため、モデル配布時のピークメモリ使用量を削減できます。リクエストのオーバーヘッドとチャンクごとのメモリ使用量のバランスを取るために、チャンクサイズを調整可能です。一方、TensorFlow のワークフローでは従来のシリアライズパスが利用されます。
集約処理のディスクへのオフロード
ストリーミングにより転送中のメモリ負荷は軽減されますが、サーバー側で複数のクライアント更新情報を保持する必要がある場合、サーバーのピークメモリ使用量はクライアント数に比例して増加します。NVIDIA FLARE 2.8.0 では、tensor disk offload 機能により、受信した PyTorch の FedAvg 更新情報を一時的な safetensors ファイルに書き出し、必要な時に読み込むことで、CPU メモリの線形増加を防ぎます。
これらの仕組みは、アダプターベースのトレーニングによるペイロード削減を補完し、フルモデルトレーニングや大規模なアダプターの利用、多数のクライアントを想定した連合学習を実現します。
テスト済み構成の例については、NVIDIA FLARE Recipe API、FLARE Tensor Downloader、およびtensor disk offload に関するドキュメントをご参照ください。
FedUMM を用いた、凍結された VLM 上での軽量アダプターの連合学習
FedUMM は、NVIDIA FLARE においてネットワークを通過するデータを最小限に抑える具体例を提供します。各シミュレーションされたクライアントは、凍結された BLIP バックボーン を保持し、ローカルで LoRA アダプターをトレーニングします。NVIDIA FLARE がラウンドを調整し、アダプターの更新のみを集約します。FedUMM はビジョン、オーディオ、テキストに対応するモダリティ固有のエンコーダーを持つ汎用性を備えて設計されていますが、現在の実験では主にビジョン・ランゲージに焦点を当てています。
報告された実験では、Dirichlet 分布による非同期性を制御した環境下で、最大 16 クライアントを想定し、VQA v2 と GenEval の評価を行いました。8 クライアントでの比較では、アダプターのみを連動させる手法により、1 ラウンドあたりの通信量が 28.6 GB から 0.094 GB に削減され、VQA v2 のスコアはフルモデルの FedAvg と比べて 0.7 ポイント向上しました。8 クライアントという設定でも、両方のベンチマークにおいて中央集権型の基準値に対して約 97% の性能を維持しています(図 2)。

今回の評価では、シミュレートされたサイトと合成データ分割、そして一般的なドメイン向けのパブリックベンチマークを使用しました。これは臨床現場での性能や形式的なプライバシー保証を示すものではなく、あくまで分散型ワークフローにおいて生データがローカル環境内に留まることを実証したものです。
FedUMM は、システム負荷の根源である通信データを削減するために、小さな LoRA アダプタのみを交換します。ただし、すべての AI ワークフローでこれが可能とは限りません。クライアントがより大きな更新を送信する必要がある場合、転送中のメモリ圧力を軽減するためにテンストリーミング(tensor streaming)を利用できます。また、サーバーが多数のクライアントからの更新を集約する際には、ディスクバックド集約(disk-backed aggregation)により、メモリアップに保持する必要のあるデータ量を削減できます。
フェデレーテッド・マルチモーダル AI ワークフローを設計するためのチェックリスト
フェデレーテッド・マルチモーダル ワークフローを設計する際は、各クライアントが何を提供すべきか、そしてその更新がシステム内でどのように移動するかという両方の側面を検討する必要があります。以下のチェックリストは、モデルの品質、通信コスト、システムのメモリ要件のバランスを取るための重要な判断ポイントをまとめました。
- 更新契約を定義する: 何がローカルに留まるのか、各クライアントは何を送信するのか、そして更新はどう結合されるのかを決定します。
- ペイロードを最小化する: 可能であれば軽量なアダプタを交換し、タスクの要件上必要な場合のみフルモデルの更新を行います。
- 更新の移動と集約方法を選ぶ: メモリ上の大きな更新には外部化やテンストリーミングを活用し、サーバーで複数の更新を集約するとメモリ容量を超えてしまう場合は、サーバー側でディスクオフロードを実行します。
- エンドツーエンドを評価する: モデルの品質だけでなく、通信量、ランタイム、メモリ使用量、データの非均質性(データヘテロジニティ)、および障害発生時の挙動も測定・評価します。
フェデレーテッド・マルチモーダル AI ワークフローの構築を始めよう
ワークフローの更新契約を定義することから始めましょう。具体的には、どのデータをローカルに保持し、各クライアントがどのようなモデル状態を返すか、またどのクライアントが各集約に参加すべきかを明確にします。NVIDIA FLARE Recipe API を用いてワークフローを実装し、想定されるクライアント数でシミュレーションを通じて検証してください。
次に、ボトルネックとなる部分に合わせてペイロード処理の仕組みを選択します。大規模なモデル更新には large-object externalization や FLARE Tensor Downloader を活用し、サーバー側での集約時にメモリが不足する場合は、テンソルのディスクオフロードを併用してください。
アダプターベースの具体的な事例として、FedUMM: A General Framework for Federated Learning with Unified Multimodal Models という論文および、その NVIDIA FLARE リポジトリでの実装 を参照してください。動作するベースラインを確立した後、Auto-FL を用いて、独自のデータセットやタスクに合わせて federated experiment の適応とチューニングを行ってください。
詳しくは、業界全体にわたる連合学習の最先端応用を探求する無料オンラインイベント「NVIDIA Flare Day 2026」に参加してください。
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Modern vision-language models (VLMs) can support tasks such as visual question answering, captioning, and image-text reasoning. In practice, however, the data needed to adapt these models may be distributed across institutions or organizations that cannot centralize their raw records.
Federated learning provides a way to coordinate training across these data-local sites. For VLMs, the challenge is not only orchestration. Sites may contribute different task or modality mixes, and model updates can be large enough to strain network bandwidth and server memory.
This post focuses on two design decisions for federated multimodal AI workflows: what model state should cross the network, and how should it be transferred and aggregated efficiently? It shows how NVIDIA FLAREcoordinates federated training across sites and handles large model updates through externalization, tensor streaming, and disk-backed aggregation.
Those design questions also apply to unified multimodal models (UMMs), which support multiple modalities and tasks within a shared architecture. FedUMM, developed through a collaboration between William & Mary and NVIDIA, provides a concrete example by federating lightweight adapters over a frozen multimodal backbone.
FedUMM is supported by the NVIDIA Academic Grant Program, and received an Outstanding Student Paper Award at the FL@FM workshop at TheWebConf 2026.
Why are VLMs difficult to federate?
In a centralized vision-language experiment, images, captions, visual question answering examples, and generation prompts can feed one training pipeline. In a federated setting, those examples are distributed across sites with different data, task mixes, and operating constraints.
This creates two engineering problems. First, sites may train on different task or modality mixes, so the workflow must define what each client updates and how those updates are combined. Second, full-model updates can be expensive to serialize, transfer, and hold in server memory.
The first decision is therefore what to federate. Some approaches exchange distilled knowledge rather than model weights. Others freeze a pretrained backbone and aggregate only lightweight trainable components. CreamFL illustrates the first approach, while FedCLIP, FedPIA, and FedUMM illustrate the second. When larger updates are required, the system must also support streaming and memory-efficient aggregation.
NVIDIA FLARE, an open source, extensible Python SDK and framework for federated learning and collaborative computing, can support both parameter-efficient and full-model communication patterns.
Figure 1 shows the general workflow. Sites keep different mixes of images, text, and prompts local, while the server coordinates training and aggregates approved model updates. Large-object externalization, tensor streaming, and disk-backed aggregation help manage larger payloads.

Coordinating training across clients
Every NVIDIA FLARE job separates global coordination from local execution. The server schedules rounds and aggregates updates, while each client trains or evaluates against its local data. Site-specific preprocessing, prompt construction, and batching remain inside the client.
The NVIDIA FLARE Recipe API provides a concise starting point. The FedAvg recipe pairs a model with a client training script. The same recipe can be run in simulation or in a real provisioned multi-site deployment.
Before implementing the model, define the client update contract: what remains local, what may leave the site, which model components each client may update, and which metrics return to the server. When clients update different model components, the contract should also specify how those component-level updates are combined.
Moving and aggregating large model updates efficiently
A common baseline method for federated VLM training is fine-tuning and aggregating the whole model parameters. This will lead to large model updates. With many clients joining the federation, they create two distinct memory pressures: serializing and transferring one update, and holding several client updates in memory during aggregation. NVIDIA FLARE supports several features to tackle this challenge.
Externalize large objects
NVIDIA FLARE can replace large objects in a message with lightweight references and transfer the underlying data separately. This keeps the control message small and supports payloads that exceed the ordinary serialized-message limit. Built-in decomposers cover PyTorch tensors, NumPy arrays, and common FLARE structures; custom decomposers are needed only for application-specific object types.
Stream tensors
For PyTorch workflows, FLARE Tensor Downloader streams tensors incrementally using a pull-based protocol. Only the requested chunk is serialized at a time, reducing peak memory during model distribution. Chunk size can be tuned to balance request overhead against per-chunk memory. TensorFlow workflows use the traditional serialization path.
Offload aggregation to disk
Streaming reduces memory pressure during transfer, but the server may still need to hold several client updates during aggregation. This causes the server’s peak memory to grow linearly with the number of clients. In NVIDIA FLARE 2.8.0, tensor disk offload writes incoming PyTorch FedAvg updates to temporary safetensors files and loads them as needed, thus preventing the linear growth in CPU memory.
These mechanisms complement payload reduction from adapter-based training to enable full-model training, larger adapters, or federated learning with many clients.
For tested configuration examples, see the NVIDIA FLARE Recipe API, FLARE Tensor Downloader, and tensor disk offload documentation.
Federating lightweight adapters over a frozen VLM with FedUMM
FedUMM provides a concrete example of minimizing what crosses the network in NVIDIA FLARE. Each simulated client keeps a frozen BLIP backbone and trains LoRA adapters locally. NVIDIA FLARE coordinates the rounds and aggregates only the adapter updates. FedUMM is designed for generality with modality-specific encoders for vision, audio, and text, while its current experiments focus on vision-language.
The reported experiments evaluate VQA v2 and GenEval under Dirichlet-controlled heterogeneity with up to 16 clients. In an eight-client comparison, adapter-only federation reduced per-client communication from 28.6 GB to 0.094 GB per round and improved VQA v2 by 0.7 points relative to full-model FedAvg. At eight clients, performance remained about 97% of the centralized reference on both benchmarks (Figure 2).

The evaluation uses simulated sites, synthetic partitions, and public general-domain benchmarks. It does not establish clinical performance or formal privacy guarantees; it shows that raw training data remains local within the simulated federated workflow.
FedUMM reduces the system burdens at its source by exchanging only small LoRA adapters. Not every AI workflow can do that. When clients must send larger updates, tensor streaming reduces memory pressure during transfer; when the server must aggregate updates from many clients, disk-backed aggregation reduces how much data must be held in memory.
Checklist for designing federated multimodal AI workflows
When designing a federated multimodal workflow, consider both what each client should contribute and how those updates will move through the system. The following checklist summarizes the key decisions for balancing model quality, communication cost, and system memory requirements.
- Define the update contract: Decide what stays local, what each client sends, and how the updates are combined.
- Minimize the payload: Exchange lightweight adapters when possible, and full-model updates only when the task requires them.
- Choose how updates move and aggregate: Use externalization and tensor streaming for large in-memory updates, together with disk offload on server when aggregation several updates would exceed server memory.
- Evaluate end-to-end: Measure model quality together with communication, runtime, memory use, data heterogeneity, and failures.
Get started building federated multimodal AI workflows
Start by defining the update contract for your workflow: what remains local, what model state each client may return, and which clients should contribute to each aggregation. Use the NVIDIA FLARE Recipe API to implement the workflow and validate it in simulation at the expected client count.
Next, choose the payload-handling mechanism that matches your bottleneck. Uselarge-object externalization andFLARE Tensor Downloader for large model updates, together with tensor disk offload when server-side aggregation memory becomes a constraint.
For a concrete adapter-based example, explore the paper, FedUMM: A General Framework for Federated Learning with Unified Multimodal Models, and itsimplementation in the NVIDIA FLARE repository. After establishing a working baseline, useAuto-FL to adapt and tune the federated experiment for your own datasets and tasks.
To learn more, join us for NVIDIA Flare Day 2026, a free online event that explores cutting-edge applications of federated learning across industries.
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