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1 \chapterauthor{Raphaël Couturier}{Femto-ST Institute, University of Franche-Comte}
2 \chapterauthor{Christophe Guyeux}{Femto-ST Institute, University of Franche-Comte}
3
4
5 \chapter{Pseudo Random Number Generator on GPU}
6 \label{chapter18}
7
8 \section{Introduction}
9
10 Randomness is of importance in many fields such as scientific
11 simulations or cryptography.  ``Random numbers'' can mainly be
12 generated either by a deterministic and reproducible algorithm called
13 a pseudorandom number generator (PRNG). In this paper, we focus on
14 reproducible generators, useful for instance in Monte-Carlo based
15 simulators.  These domains need PRNGs that are statistically
16 irreproachable.  In some fields such as in numerical simulations,
17 speed is a strong requirement that is usually attained by using
18 parallel architectures. In that case, a recurrent problem is that a
19 deflation of the statistical qualities is often reported, when the
20 parallelization of a good PRNG is realized. In some fields such as in
21 numerical simulations, speed is a strong requirement that is usually
22 attained by using parallel architectures. In that case, a recurrent
23 problem is that a deflation of the statistical qualities is often
24 reported, when the parallelization of a good PRNG is realized.  This
25 is why ad-hoc PRNGs for each possible architecture must be found to
26 achieve both speed and randomness.  On the other side, speed is not
27 the main requirement in cryptography: the great need is to
28 define \emph{secure} generators able to withstand malicious
29 attacks. Roughly speaking, an attacker should not be able in practice
30 to make the distinction between numbers obtained with the secure
31 generator and a true random sequence.  Or, in an equivalent
32 formulation, he or she should not be able (in practice) to predict the
33 next bit of the generator, having the knowledge of all the binary
34 digits that have been already released. ``Being able in practice''
35 refers here to the possibility to achieve this attack in polynomial
36 time, and to the exponential growth of the difficulty of this
37 challenge when the size of the parameters of the PRNG increases.
38
39
40 Finally, a small part of the community working in this domain focuses on a
41 third requirement, that is to define chaotic generators.
42 The main idea is to take benefits from a chaotic dynamical system to obtain a
43 generator that is unpredictable, disordered, sensible to its seed, or in other word chaotic.
44 Their desire is to map a given chaotic dynamics into a sequence that seems random 
45 and unassailable due to chaos.
46 However, the chaotic maps used as a pattern are defined in the real line 
47 whereas computers deal with finite precision numbers.
48 This distortion leads to a deflation of both chaotic properties and speed.
49 Furthermore, authors of such chaotic generators often claim their PRNG
50 as secure due to their chaos properties, but there is no obvious relation
51 between chaos and security as it is understood in cryptography.
52 This is why the use of chaos for PRNG still remains marginal and disputable.
53
54
55 The remainder of this paper is organized as follows. 
56 A COMPLETER
57
58
59 \section{Basic Recalls}
60 \label{section:BASIC RECALLS}
61
62 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
63 topological chaos and chaotic iterations. We assume the reader is familiar
64 with basic notions on topology (see for instance~\cite{Devaney}).
65
66
67 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
68
69
70 A COMPLETER
71
72
73
74 \section{Toward Efficiency and Improvement for CI PRNG}
75 \label{sec:efficient PRNG}
76
77 \subsection{First Efficient Implementation of a PRNG based on Chaotic Iterations}
78 %
79 %Based on the proof presented in the previous section, it is now possible to 
80 %improve the speed of the generator formerly presented in~\cite{bgw09:ip,guyeux10}. 
81 %The first idea is to consider
82 %that the provided strategy is a pseudorandom Boolean vector obtained by a
83 %given PRNG.
84 %An iteration of the system is simply the bitwise exclusive or between
85 %the last computed state and the current strategy.
86 %Topological properties of disorder exhibited by chaotic 
87 %iterations can be inherited by the inputted generator, we hope by doing so to 
88 %obtain some statistical improvements while preserving speed.
89 %
90 %%RAPH : j'ai viré tout ca
91 %% Let us give an example using 16-bits numbers, to clearly understand how the bitwise xor operations
92 %% are
93 %% done.  
94 %% Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are given as
95 %% binary vectors.
96 %% Table~\ref{TableExemple} shows the result of $x \oplus S^i$.
97
98 %% \begin{table}
99 %% \begin{scriptsize}
100 %% $$
101 %% \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
102 %% \hline
103 %% x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
104 %% \hline
105 %% S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
106 %% \hline
107 %% x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
108 %% \hline
109
110 %% \hline
111 %%  \end{array}
112 %% $$
113 %% \end{scriptsize}
114 %% \caption{Example of an arbitrary round of the proposed generator}
115 %% \label{TableExemple}
116 %% \end{table}
117
118
119
120
121 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential PRNG based on chaotic iterations},label={algo:seqCIPRNG}}
122 \begin{small}
123 \begin{lstlisting}
124
125 unsigned int CIPRNG() {
126   static unsigned int x = 123123123;
127   unsigned long t1 = xorshift();
128   unsigned long t2 = xor128();
129   unsigned long t3 = xorwow();
130   x = x^(unsigned int)t1;
131   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
132   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
133   x = x^(unsigned int)t2;
134   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
135   x = x^(unsigned int)t3;
136   return x;
137 }
138 \end{lstlisting}
139 \end{small}
140
141
142
143 In Listing~\ref{algo:seqCIPRNG} a sequential  version of the proposed PRNG based
144 on  chaotic  iterations  is  presented.   The xor  operator  is  represented  by
145 \textasciicircum.  This function uses  three classical 64-bits PRNGs, namely the
146 \texttt{xorshift},         the          \texttt{xor128},         and         the
147 \texttt{xorwow}~\cite{Marsaglia2003}.  In the following, we call them ``xor-like
148 PRNGs''.   As each  xor-like PRNG  uses 64-bits  whereas our  proposed generator
149 works with 32-bits, we use the command \texttt{(unsigned int)}, that selects the
150 32 least  significant bits  of a given  integer, and the  code \texttt{(unsigned
151   int)(t$>>$32)} in order to obtain the 32 most significant bits of \texttt{t}.
152
153 Thus producing a pseudorandom number needs 6 xor operations with 6 32-bits numbers
154 that  are provided by  3 64-bits  PRNGs.  This  version successfully  passes the
155 stringent BigCrush battery of tests~\cite{LEcuyerS07}. 
156 At this point, we thus
157 have defined an efficient and statistically unbiased generator. Its speed is
158 directly related to the use of linear operations, but for the same reason,
159 this fast generator cannot be proven as secure.
160
161
162
163 \subsection{Efficient PRNGs based on Chaotic Iterations on GPU}
164 \label{sec:efficient PRNG gpu}
165
166 In order to  take benefits from the computing power  of GPU, a program
167 needs  to have  independent blocks  of  threads that  can be  computed
168 simultaneously. In general,  the larger the number of  threads is, the
169 more local  memory is  used, and the  less branching  instructions are
170 used  (if,  while,  ...),  the  better the  performances  on  GPU  is.
171 Obviously, having these requirements in  mind, it is possible to build
172 a   program    similar   to    the   one   presented    in  Listing 
173 \ref{algo:seqCIPRNG}, which computes  pseudorandom numbers on GPU.  To
174 do  so,  we  must   firstly  recall  that  in  the  CUDA~\cite{Nvid10}
175 environment,    threads    have     a    local    identifier    called
176 \texttt{ThreadIdx},  which   is  relative  to   the  block  containing
177 them. Furthermore, in  CUDA, parts of  the code that are executed by the  GPU, are
178 called {\it kernels}.
179
180
181 \subsection{Naive Version for GPU}
182
183  
184 It is possible to deduce from the CPU version a quite similar version adapted to GPU.
185 The simple principle consists in making each thread of the GPU computing the CPU version of our PRNG.  
186 Of course,  the  three xor-like
187 PRNGs  used in these computations must have different  parameters. 
188 In a given thread, these parameters are
189 randomly picked from another PRNGs. 
190 The  initialization stage is performed by  the CPU.
191 To do it, the  ISAAC  PRNG~\cite{Jenkins96} is used to  set  all  the
192 parameters embedded into each thread.   
193
194 The implementation of  the three
195 xor-like  PRNGs  is  straightforward  when  their  parameters  have  been
196 allocated in  the GPU memory.  Each xor-like  works with  an internal
197 number  $x$  that saves  the  last  generated  pseudorandom number. Additionally,  the
198 implementation of the  xor128, the xorshift, and the  xorwow respectively require
199 4, 5, and 6 unsigned long as internal variables.
200
201
202 \begin{algorithm}
203 \begin{small}
204 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
205 PRNGs in global memory\;
206 NumThreads: number of threads\;}
207 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
208 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
209   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
210   \For{i=1 to n} {
211     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIPRNG}\;
212     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
213   }
214   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
215 }
216 \end{small}
217 \caption{Main kernel of the GPU ``naive'' version of the PRNG based on chaotic iterations}
218 \label{algo:gpu_kernel}
219 \end{algorithm}
220
221
222
223 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of the proposed  PRNG on
224 GPU.  Due to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
225 used simultaneously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
226 inside   a    kernel   is   limited  (\emph{i.e.},    the    variable   \texttt{n}   in
227 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}). For instance, if  $100,000$ threads are used and
228 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)},
229 then   the  memory   required   to  store all of the  internals   variables  of both the  xor-like
230 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
231 and  the pseudorandom  numbers generated by  our  PRNG,  is  equal to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
232 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, that is, approximately $52$Mb.
233
234 This generator is able to pass the whole BigCrush battery of tests, for all
235 the versions that have been tested depending on their number of threads 
236 (called \texttt{NumThreads} in our algorithm, tested up to $5$ million).
237
238
239 \subsection{Improved Version for GPU}
240
241 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
242 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
243 i.e., to use less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
244 one xor-like PRNG by thread, saving  it into the shared memory, and then to use the results
245 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
246 thread uses the result of which other  one, we can use a combination array that
247 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a combination has  been
248 performed. 
249
250 In  Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2},  two  combination  arrays are  used.   The
251 variable     \texttt{offset}    is     computed    using     the     value    of
252 \texttt{combination\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
253 representing the  indexes of  the other  threads whose results  are used  by the
254 current one.   In this algorithm, we  consider that a 32-bits  xor-like PRNG has
255 been chosen. In practice, we  use the xor128 proposed in~\cite{Marsaglia2003} in
256 which  unsigned longs  (64 bits)  have been  replaced by  unsigned  integers (32
257 bits).
258
259 This version  can also pass the whole {\it BigCrush} battery of tests.
260
261 \begin{algorithm}
262 \begin{small}
263 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
264 in global memory\;
265 NumThreads: Number of threads\;
266 array\_comb1, array\_comb2: Arrays containing combinations of size combination\_size\;}
267
268 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
269 \If{threadId is concerned} {
270   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
271   offset = threadIdx\%combination\_size\;
272   o1 = threadIdx-offset+array\_comb1[offset]\;
273   o2 = threadIdx-offset+array\_comb2[offset]\;
274   \For{i=1 to n} {
275     t=xor-like()\;
276     t=t\textasciicircum shmem[o1]\textasciicircum shmem[o2]\;
277     shared\_mem[threadId]=t\;
278     x = x\textasciicircum t\;
279
280     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
281   }
282   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
283 }
284 \end{small}
285 \caption{Main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
286 version\label{IR}}
287 \label{algo:gpu_kernel2} 
288 \end{algorithm}
289
290 \subsection{Chaos Evaluation of the Improved Version}
291
292 A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists in an operation ($x=x\oplus t$) having 
293 the form of Equation~\ref{equation Oplus}, which is equivalent to the iterative
294 system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, an iteration of the general chaotic
295 iterations is realized between the last stored value $x$ of the thread and a strategy $t$
296 (obtained by a bitwise exclusive or between a value provided by a xor-like() call
297 and two values previously obtained by two other threads).
298 To be certain that we are in the framework of Theorem~\ref{t:chaos des general},
299 we must guarantee that this dynamical system iterates on the space 
300 $\mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\times\mathds{B}^\mathsf{N}$.
301 The left term $x$ obviously belongs to $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
302 To prevent from any flaws of chaotic properties, we must check that the right 
303 term (the last $t$), corresponding to the strategies,  can possibly be equal to any
304 integer of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$. 
305
306 Such a result is obvious, as for the xor-like(), all the
307 integers belonging into its interval of definition can occur at each iteration, and thus the 
308 last $t$ respects the requirement. Furthermore, it is possible to
309 prove by an immediate mathematical induction that, as the initial $x$
310 is uniformly distributed (it is provided by a cryptographically secure PRNG),
311 the two other stored values shmem[o1] and shmem[o2] are uniformly distributed too,
312 (this is the induction hypothesis), and thus the next $x$ is finally uniformly distributed.
313
314 Thus Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} is a concrete realization of the general
315 chaotic iterations presented previously, and for this reason, it satisfies the 
316 Devaney's formulation of a chaotic behavior.
317
318 \section{Experiments}
319 \label{sec:experiments}
320
321 Different experiments  have been  performed in order  to measure  the generation
322 speed. We have used a first computer equipped with a Tesla C1060 NVidia  GPU card
323 and an
324 Intel  Xeon E5530 cadenced  at 2.40  GHz,  and 
325 a second computer  equipped with a smaller  CPU and  a GeForce GTX  280. 
326 All the
327 cards have 240 cores.
328
329 In  Figure~\ref{fig:time_xorlike_gpu} we  compare the  quantity of  pseudorandom numbers
330 generated per second with various xor-like based PRNGs. In this figure, the optimized
331 versions use the {\it xor64} described in~\cite{Marsaglia2003}, whereas the naive versions
332 embed  the three  xor-like  PRNGs described  in Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}.   In
333 order to obtain the optimal performances, the storage of pseudorandom numbers
334 into the GPU memory has been removed. This step is time consuming and slows down the numbers
335 generation.  Moreover this   storage  is  completely
336 useless, in case of applications that consume the pseudorandom
337 numbers  directly   after generation. We can see  that when the number of  threads is greater
338 than approximately 30,000 and lower than 5 million, the number of pseudorandom numbers generated
339 per second  is almost constant.  With the  naive version, this value ranges from 2.5 to
340 3GSamples/s.   With  the  optimized   version,  it  is  approximately  equal to
341 20GSamples/s. Finally  we can remark  that both GPU  cards are quite  similar, but in
342 practice,  the Tesla C1060  has more  memory than  the GTX  280, and  this memory
343 should be of better quality.
344 As a  comparison,   Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}  leads   to the  generation of  about
345 138MSample/s when using one core of the Xeon E5530.
346
347 \begin{figure}[htbp]
348 \begin{center}
349   \includegraphics[scale=0.65]{Chapters/chapter18/figures/curve_time_xorlike_gpu.pdf}
350 \end{center}
351 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second with the xorlike-based PRNG}
352 \label{fig:time_xorlike_gpu}
353 \end{figure}
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359 In Figure~\ref{fig:time_bbs_gpu} we highlight  the performances of the optimized
360 BBS-based PRNG on GPU.  On  the Tesla C1060 we obtain approximately 700MSample/s
361 and  on the  GTX 280  about  670MSample/s, which  is obviously  slower than  the
362 xorlike-based PRNG on GPU. However, we  will show in the next sections that this
363 new PRNG  has a strong  level of  security, which is  necessarily paid by  a speed
364 reduction.
365
366 \begin{figure}[htbp]
367 \begin{center}
368   \includegraphics[scale=0.65]{Chapters/chapter18/figures/curve_time_bbs_gpu.pdf}
369 \end{center}
370 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second using the BBS-based PRNG}
371 \label{fig:time_bbs_gpu}
372 \end{figure}
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374 All  these  experiments allow  us  to conclude  that  it  is possible  to
375 generate a very large quantity of pseudorandom  numbers statistically perfect with the  xor-like version.
376 To a certain extend, it is also the case with the secure BBS-based version, the speed deflation being
377 explained by the fact that the former  version has ``only''
378 chaotic properties and statistical perfection, whereas the latter is also cryptographically secure,
379 as it is shown in the next sections.
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391 \putbib[Chapters/chapter18/biblio]
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