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1 \chapterauthor{Raphaël Couturier and Christophe Guyeux}{Femto-ST Institute, University of Franche-Comte, France}
2 %\chapterauthor{Christophe Guyeux}{Femto-ST Institute, University of Franche-Comt\'{e}}
3
4
5 \chapter{Pseudorandom 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 by either a deterministic and reproducible algorithm called
13 a pseudorandom number generator (PRNG)\index{PRNG}, or by a physical nondeterministic 
14 process having all the characteristics of a random noise, called a truly random number
15 generator (TRNG). In this chapter, we focus on
16 reproducible generators, useful for instance in MonteCarlo-based
17 simulators.  These domains need PRNGs that are statistically
18 irreproachable.  In some fields such as in numerical simulations,
19 speed is a strong requirement that is usually attained by using
20 parallel architectures. In that case, a recurrent problem is that a
21 deflation of the statistical qualities is often reported, when the
22 parallelization of a good PRNG is realized.  This
23 is why adhoc PRNGs for each possible architecture must be found to
24 achieve both speed and randomness.  On the other hand, speed is not
25 the main requirement in cryptography: the most important point is to
26 define \emph{secure} generators able to withstand malicious
27 attacks. Roughly speaking, an attacker should not be able in practice
28 to make the distinction between numbers obtained with the secure
29 generator and a true random sequence.  Or, in an equivalent
30 formulation, he or she should not be able (in practice) to predict the
31 next bit of the generator, having the knowledge of all the binary
32 digits that have been already released~\cite{Goldreich}. ``Being able in practice''
33 refers here to the possibility to achieve this attack in polynomial
34 time and to the exponential growth of the difficulty of this
35 challenge when the size of the parameters of the PRNG increases.
36
37
38 Finally, a small part of the community working in this domain focuses on a
39 third requirement: to define chaotic generators~\cite{kellert1994wake,  Wu20051195,gleick2011chaos}.
40 The main idea is to  benefit from a chaotic dynamical system to obtain a
41 generator that is unpredictable, disordered, sensible to its seed, or in other words, chaotic.
42 These scientists' desire is to map a given chaotic dynamics into a sequence that seems random 
43 and unassailable due to chaos.
44 However, the chaotic maps used as a pattern are defined in the real line 
45 whereas computers deal with finite precision numbers.
46 This distortion leads to a deflation of both chaotic properties and speed.
47 Furthermore, authors of such chaotic generators often claim their PRNG
48 as secure due to their chaos properties, but there is no obvious relation
49 between chaos and security as it is understood in cryptography.
50 This is why the use of chaos for PRNG still remains marginal and disputable.
51 However, we have established in previous researches that these flaws can 
52 be circumvented by using a tool called choatic iterations. 
53 Such investigations have led to the definition of a new
54 family of PRNGs that are chaotic while being fast and statistically perfect,
55 or cryptographically secure~\cite{bgw09:ip,bgw10:ip,bfgw11:ij,bfg12a:ip}. This family is improved and adapted for GPU 
56 architectures in this chapter.
57
58
59 Let us finish this introduction by noticing that, in this chapter, 
60 statistical perfection refers to the ability to pass the whole 
61 {\it BigCrush} battery of tests, which is widely considered as the most
62 stringent statistical evaluation of a sequence claimed as random.
63 This battery can be found in the well-known TestU01 package~\cite{LEcuyerS07}\index{TestU01}.
64 More precisely, each time we performed a test on a PRNG, we ran it
65 twice in order to observe if all $p$-values were inside [0.01, 0.99]. In
66 fact, we observed that few $p$-values (fewer than 10 out of 160) are sometimes
67 outside this interval but inside [0.001, 0.999], so that is why a
68 second run has allowed us to confirm that the values outside are not for
69 the same test. With this approach all our PRNGs pass the {\it
70   BigCrush} successfully and all $p$-values are at least once inside
71 [0.01, 0.99].
72 Chaos, for its part, refers to the well-established definition of a
73 chaotic dynamical system defined by Devaney~\cite{Devaney}.
74
75 The remainder of this chapter is organized as follows. 
76 Basic definitions and terminologies about both topological chaos
77 and chaotic iterations are provided in the next section. Various 
78 chaotic iterations based on pseudorandom number generators are then
79 presented in Section~\ref{sec:efficient PRNG}. They encompass
80 naive and improved efficient generators for CPU and for GPU. 
81 These generators are finally experimented in Section~\ref{sec:experiments}.
82
83
84 \section{Basic remindees}
85 \label{section:BASIC RECALLS}
86
87 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
88 topological chaos and chaotic iterations. We assume the reader is familiar
89 with basic notions on topology (see for instance~\cite{Devaney}).
90
91
92 \subsection{A short presentation of chaos}
93
94
95 Chaos theory studies the behavior of dynamical systems that are perfectly predictable, yet appear to be wildly amorphous and meaningless. 
96 Chaotic systems\index{chaotic systems} are highly sensitive to initial conditions, 
97 which is popularly referred to as the butterfly effect. 
98 In other words, small differences in initial conditions (such as those due to rounding errors in numerical computation) yield widely diverging outcomes, 
99 in general rendering long-term prediction impossible  \cite{kellert1994wake}. This happens even though these systems are deterministic, meaning that their future behavior is fully determined by their initial conditions, with no random elements involved \cite{kellert1994wake}. That is, the deterministic nature of these systems does not make them predictable \cite{kellert1994wake,Werndl01032009}. This behavior is known as deterministic chaos, or simply chaos. It has been well-studied in mathematics and
100 physics, leading among other things to the well-established definition of Devaney which can be found next.
101
102
103
104
105
106 \subsection{On Devaney's definition of chaos}\index{chaos}
107 \label{sec:dev}
108 Consider a metric space $(\mathcal{X},d)$ and a continuous function $f:\mathcal{X}\longrightarrow \mathcal{X}$, for one-dimensional dynamical systems of the form:
109 \begin{equation}
110 x^0 \in \mathcal{X} \textrm{  and } \forall n \in \mathds{N}^*, x^n=f(x^{n-1}),
111 \label{Devaney}
112 \end{equation}
113 the following definition of chaotic behavior, formulated by Devaney~\cite{Devaney}, is widely accepted.
114
115 \begin{definition}
116  A dynamical system of Form~(\ref{Devaney}) is said to be chaotic if the following conditions hold.
117 \begin{itemize}
118 \item Topological transitivity\index{topological transitivity}:
119
120 \begin{equation}
121 \forall U,V \textrm{ open sets of } \mathcal{X},~\exists k>0, f^k(U) \cap V \neq \varnothing .
122 \end{equation}
123
124 Intuitively, a topologically transitive map has points that eventually move under iteration from one arbitrarily small neighborhood to any other. Consequently, the dynamical system cannot be decomposed into two disjoint open sets that are invariant under the map. Note that if a map possesses a dense orbit, then it is clearly topologically transitive.
125 \item Density of periodic points in $\mathcal{X}$\index{density of periodic points}:
126
127 Let $P=\{p\in \mathcal{X}|\exists n \in \mathds{N}^{\ast}:f^n(p)=p\}$ the set of periodic points of $f$. Then $P$ is dense in $\mathcal{X}$:
128
129 \begin{equation}
130  \overline{P}=\mathcal{X} .
131 \end{equation}
132
133 The density of periodic orbits means that every point in  space is closely approached  by periodic orbits in an arbitrary way. Topologically mixing systems failing this condition may not display sensitivity to initial conditions presented below and, hence,may not be chaotic.
134 \item Sensitive dependence on initial conditions\index{sensitive dependence on initial conditions}:
135
136 $\exists \varepsilon>0,$ $\forall x \in \mathcal{X},$ $\forall \delta >0,$ $\exists y \in \mathcal{X},$ $\exists n \in \mathbb{N},$ $d(x,y)<\delta$ and $d\left(f^n(x),f^n(y)\right) \geqslant \varepsilon.$
137
138 Intuitively, a map possesses sensitive dependence on initial conditions if there exist points arbitrarily close to $x$ that eventually separate from $x$ by at least $\varepsilon$ under the iteration of $f$. Not all points near $x$ need to be eventually separate from $x$ under iteration, but there must be at least one such point in every neighborhood of $x$. If a map possesses sensitive dependence on initial conditions, then for all practical purposes, the dynamics of the map defy numerical computation. Small errors in computation that are introduced by round-off may become magnified upon iteration. The results of numerical computation of an orbit, no matter how accurate, may bear no resemblance whatsoever with the real orbit.
139 \end{itemize}
140
141 \end{definition}
142
143 When $f$ is chaotic, then the system $(\mathcal{X}, f)$ is chaotic and quoting Devaney~\cite[p. 50]{Devaney}: ``it is unpredictable because of the sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or decomposed into two subsystems which do not interact because of topological transitivity. And, in the midst of this random behavior, we nevertheless have an element of regularity.'' Fundamentally different behaviors are consequently possible and occur in an unpredictable way.
144
145
146
147
148
149
150
151
152 \subsection{Chaotic iterations}\index{chaotic iterations}
153 \label{subsection:Chaotic iterations}
154
155 Let us now introduce an example of a dynamical systems family that has
156 the potentiality to become chaotic, depending on the choice of the iteration 
157 function. This family is the basis of the PRNGs we will
158 develop during this chapter.
159
160 \begin{definition}
161 \label{Chaotic iterations}
162 The set $\mathds{B}$ denoting $\{0,1\}$, let $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}%
163 }\longrightarrow \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be an ``iteration'' function and $S$ be a 
164 sequence of subsets of $\llbracket 1, \mathsf{N}\rrbracket$ called a chaotic strategy. Then, the so-called \emph{chaotic iterations} are defined by~\cite{Robert1986}:
165
166 \begin{equation}
167 \label{eq:generalIC}
168 \left\{\begin{array}{l}
169 x^0\in \mathds{B}^{\mathsf{N}}, \\
170 \forall n\in \mathds{N}^{\ast },\forall i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket%
171 ,x_i^n=
172 \left\{
173 \begin{array}{ll}
174 x_i^{n-1} & \text{if}~ i\notin S^n  \\
175 f(x^{n-1})_{i}  & \text{if}~ i \in S^n.
176 \end{array} 
177 \right. 
178 \end{array}
179 \right.
180 \end{equation}
181 \end{definition}
182
183 In other words, at the $nth$ iteration, only the  cells of $S^{n}$ are
184 iterated. 
185 Chaotic iterations generate a set of vectors;
186 they are defined by an initial state $x^{0}$, an iteration function $f$, and a chaotic strategy $S$~\cite{bg10:ij}.
187 These ``chaotic iterations'' can behave chaotically as defined by Devaney, 
188 depending on the choice of $f$~\cite{bg10:ij}. For instance,
189 chaos is obtained when $f$ is the vectorial negation.
190 Note that, with this example of function, chaotic iterations
191 defined above can be rewritten as
192 \begin{equation}
193 \label{equation Oplus}
194 x^0 \in \llbracket 0,2^\mathsf{N}-1\rrbracket,~\mathcal{S}^n \in \mathcal{P}\left(\llbracket 1,2^\mathsf{N}-1\rrbracket\right)^\mathds{N},~~ x^{n+1}=x^n \oplus \mathcal{S}^n,
195 \end{equation}
196 where $\mathcal{P}(X)$ stands for the set of subsets of $X$, whereas 
197 $a\oplus b$ is the bitwise exclusive or operation between the binary
198 representation of the integers $a$ and $b$. Note that the term
199  $\mathcal{S}^n$ is directly and obviously linked to the $S^n$ of
200 Eq.~\ref{eq:generalIC}. Such an iterative sequence 
201 satisfies the Devaney's definition of chaos.
202
203 \section{Toward efficiency and improvement for CI PRNG}
204 \label{sec:efficient PRNG}
205
206 \subsection{First efficient implementation of a PRNG based on chaotic iterations}
207 %
208 %Based on the proof presented in the previous section, it is now possible to 
209 %improve the speed of the generator formerly presented in~\cite{bgw09:ip,guyeux10}. 
210 %The first idea is to consider
211 %that the provided strategy is a pseudorandom Boolean vector obtained by a
212 %given PRNG.
213 %An iteration of the system is simply the bitwise exclusive or between
214 %the last computed state and the current strategy.
215 %Topological properties of disorder exhibited by chaotic 
216 %iterations can be inherited by the inputted generator, we hope by doing so to 
217 %obtain some statistical improvements while preserving speed.
218 %
219 %%RAPH : j'ai viré tout ca
220 %% Let us give an example using 16-bits numbers, to clearly understand how the bitwise xor operations
221 %% are
222 %% done.  
223 %% Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are given as
224 %% binary vectors.
225 %% Table~\ref{TableExemple} shows the result of $x \oplus S^i$.
226
227 %% \begin{table}
228 %% \begin{scriptsize}
229 %% $$
230 %% \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
231 %% \hline
232 %% x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
233 %% \hline
234 %% S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
235 %% \hline
236 %% x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
237 %% \hline
238
239 %% \hline
240 %%  \end{array}
241 %% $$
242 %% \end{scriptsize}
243 %% \caption{Example of an arbitrary round of the proposed generator}
244 %% \label{TableExemple}
245 %% \end{table}
246
247
248
249
250 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential PRNG based on chaotic iterations},label={algo:seqCIPRNG}}
251 \begin{small}
252 \begin{lstlisting}
253
254 unsigned int CIPRNG() {
255   static unsigned int x = 123123123;
256   unsigned long t1 = xorshift();
257   unsigned long t2 = xor128();
258   unsigned long t3 = xorwow();
259   x = x^(unsigned int)t1;
260   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
261   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
262   x = x^(unsigned int)t2;
263   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
264   x = x^(unsigned int)t3;
265   return x;
266 }
267 \end{lstlisting}
268 \end{small}
269
270
271
272 In Listing~\ref{algo:seqCIPRNG} a sequential  version of the proposed PRNG based
273 on  chaotic  iterations  is  presented, which extends the generator family 
274 formerly presented in~\cite{bgw09:ip,guyeux10}.   The xor  operator  is  represented  by
275 \textasciicircum.  This function uses  three classical 64-bit PRNGs, namely the
276 \texttt{xorshift},         the          \texttt{xor128},         and         the
277 \texttt{xorwow}~\cite{Marsaglia2003}.  In the following, we call them ``xor-like
278 PRNGs''.   As each  xor-like PRNG  uses 64-bits  whereas our  proposed generator
279 works with 32-bits, we use the command \texttt{(unsigned int)}, which selects the
280 32 least  significant bits  of a given  integer, and the  code \texttt{(unsigned
281   int)(t$>>$32)} in order to obtain the 32 most significant bits of \texttt{t}.
282
283 Thus producing a pseudorandom number needs 6 xor operations with 6 32-bit numbers
284 that  are provided by  3 64-bit  PRNGs.  This  version successfully  passes the
285 stringent {\it BigCrush} battery of tests~\cite{LEcuyerS07}. 
286 At this point, we have defined an efficient and statistically unbiased generator. Its speed is
287 directly related to the use of linear operations, but for the same reason,
288 this fast generator cannot be proven as secure.
289
290
291
292 \subsection{Efficient PRNGs based on chaotic iterations on GPU}
293 \label{sec:efficient PRNG gpu}
294
295 In order to  benefit from the computing power  of GPU, a program
296 needs  to have  independent blocks  of  threads that  can be  computed
297 simultaneously. In general,  the larger the number of  threads is, the
298 more local  memory is  used, and the  less branching  instructions are
299 used  (if,  while,  etc.) and so,  the  better the  performances  on  GPU  are.
300 Obviously, having these requirements in  mind, it is possible to build
301 a   program    similar   to    the   one   presented    in  Listing 
302 \ref{algo:seqCIPRNG}, which computes  pseudorandom numbers on GPU.  To
303 do  so,  we  must   first  recall  that  in  the  CUDA~\cite{Nvid10}
304 environment,    threads    have     a    local    identifier    called
305 \texttt{ThreadIdx},  which   is  relative  to   the  block  containing
306 them. Furthermore, in  CUDA, parts of  the code that are executed by the  GPU are
307 called {\it kernels}.
308
309
310 \subsection{Naive version for GPU}
311
312  
313 It is possible to deduce from the CPU version a quite similar version adapted to GPU.
314 The simple principle consists of making each thread of the GPU compute the CPU version of our PRNG.  
315 Of course,  the  three xor-like
316 PRNGs  used in these computations must have different  parameters. 
317 In a given thread, these parameters are
318 randomly picked from another PRNGs. 
319 The  initialization stage is performed by  the CPU.
320 To do this, the   Indirection, Shift, Accumulate, Add, and Count (ISAAC)  PRNG~\cite{Jenkins96} is used to  set  all  the
321 parameters embedded into each thread.   
322
323 The implementation of  the three
324 xor-like  PRNGs  is  straightforward  when  their  parameters  have  been
325 allocated in  the GPU memory.  Each xor-like  works with  an internal
326 number  $x$  that saves  the  last  generated  pseudorandom number. Additionally,  the
327 implementation of the  {\it xor128}, the {\it xorshift}, and the  {\it xorwow}, respectively, require
328 4, 5, and 6 unsigned long as internal variables.
329
330
331 \begin{algorithm}
332 \begin{small}
333 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
334 PRNGs in global memory\;
335 NumThreads: number of threads\;}
336 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
337 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
338   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
339   \For{i=1 to n} {
340     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIPRNG}\;
341     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
342   }
343   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
344 }
345 \end{small}
346 \caption{main kernel of the GPU ``naive'' version of the PRNG based on chaotic iterations}
347 \label{algo:gpu_kernel}
348 \end{algorithm}
349
350
351
352 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of the proposed  PRNG on
353 GPU.  Due to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
354 used simultaneously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
355 inside   a    kernel   is   limited  (i.e.,    the    variable   {\it n}   in
356 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}). For instance, if  $100,000$ threads are used and
357 if $n=100$\footnote{In fact, we need to add the initial seed (a 32-bit number).},
358 then   the  memory   required   to  store all of the  internal   variables  of both the  xor-like
359 PRNGs\footnote{We multiply this number by $2$ in order to count 32-bit numbers.}
360 and  the pseudorandom  numbers generated by  our  PRNG,  is  equal to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
361 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bit numbers, that is, approximately $52$Mb.
362
363 This generator is able to pass the whole {\it BigCrush} battery of tests, for all
364 the versions that have been tested depend on their number of threads 
365 (called NumThreads in our algorithm, tested up to $5$ million).
366
367
368 \subsection{Improved version for GPU}
369
370 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
371 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
372 i.e., to use fewer  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
373 one xor-like PRNG by thread, saving  it into the shared memory, and then  using the results
374 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
375 thread uses the result of which other  one, we can use a combination array that
376 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a combination has  been
377 performed. 
378
379 In  Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2},  two  combination  arrays are  used.   The
380 variable     offset    is     computed    using     the     value    of
381 combination\_size.   Then we  can compute  o1  and o2
382 representing the  indexes of  the other  threads whose results  are used  by the
383 current one.   In this algorithm, we  consider that a 32-bit  xor-like PRNG has
384 been chosen. In practice, we  use the xor128 proposed in~\cite{Marsaglia2003} in
385 which  unsigned longs  (64 bits)  have been  replaced by  unsigned  integers (32
386 bits).
387
388 This version  can also pass the whole {\it BigCrush} battery of tests.
389
390 \begin{algorithm}
391 \begin{small}
392 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
393 in global memory\;
394 NumThreads: Number of threads\;
395 array\_comb1, array\_comb2: Arrays containing combinations of size combination\_size\;}
396
397 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
398 \If{threadId is concerned} {
399   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables including shared memory and x\;
400   offset = threadIdx\%combination\_size\;
401   o1 = threadIdx-offset+array\_comb1[offset]\;
402   o2 = threadIdx-offset+array\_comb2[offset]\;
403   \For{i=1 to n} {
404     t=xor-like()\;
405     t=t\textasciicircum shmem[o1]\textasciicircum shmem[o2]\;
406     shared\_mem[threadId]=t\;
407     x = x\textasciicircum t\;
408
409     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
410   }
411   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
412 }
413 \end{small}
414 \caption{Main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
415 version\label{IR}}
416 \label{algo:gpu_kernel2} 
417 \end{algorithm}
418
419 \subsection{Chaos evaluation of the improved version}
420
421 A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists of an operation ($x=x\oplus t$) having 
422 the form of Equation~\ref{equation Oplus}, which is equivalent to the iterative
423 system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, an iteration of the general chaotic
424 iterations is realized between the last stored value $x$ of the thread and a strategy $t$
425 (obtained by a bitwise exclusive or between a value provided by a xor-like() call
426 and two values previously obtained by two other threads).
427 To be certain that such iterations correspond to the chaotic one recalled at the
428 end of  Section~\ref{sec:dev},
429 we must guarantee that this dynamical system iterates on the space 
430 $\mathcal{X} =\mathds{B}^\mathsf{N} \times \mathcal{P}\left(\llbracket 1, 2^\mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}$.
431 The left term $x$ obviously belongs to $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
432 To prevent any flaws of chaotic properties, we must check that the right 
433 term (the last $t$ in Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}), corresponding to the strategies,  can possibly be equal to any
434 integer of $\llbracket 1, 2^\mathsf{N} \rrbracket$. 
435
436 Such a result is obvious; as for the xor-like(), all the
437 integers belonging to its interval of definition can occur at each iteration, and thus the 
438 last $t$ respects the requirement. Furthermore, it is possible to
439 prove by an immediate mathematical induction that, supposing that the initial $x$
440 is uniformly distributed, %(it is provided by a cryptographically secure PRNG),
441 the two other stored values shmem[o1] and shmem[o2] are uniformly distributed too
442 (this is the induction hypothesis), and thus the next $x$ is finally uniformly distributed.
443
444 Thus Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} is a concrete realization of the general
445 chaotic iterations presented previously, and for this reason, it satisfies the 
446 Devaney's formulation of  chaotic behavior.
447
448 \section{Experiments}
449 \label{sec:experiments}
450
451 Different experiments  have been  performed in order  to measure  the generation
452 speed. We have used one computer equipped with a Tesla C1060 NVIDIA  GPU card
453 and an
454 Intel  Xeon E5530 cadenced  at 2.40  GHz,  and 
455 a second computer  equipped with a smaller  CPU and  a GeForce GTX  280. 
456 All the
457 cards have 240 cores.
458
459 \begin{figure}[htpb]
460 \begin{center}
461   \includegraphics[scale=0.65]{Chapters/chapter18/figures/curve_time_xorlike_gpu.pdf}
462 \end{center}
463 \caption{Quantity of pseudorandom numbers generated per second with the xorlike-based PRNG.}
464 \label{fig:time_xorlike_gpu}
465 \end{figure}
466
467 In  Figure~\ref{fig:time_xorlike_gpu} we  compare the  quantity of  pseudorandom numbers
468 generated per second with various xor-like based PRNGs. In this figure, the optimized
469 versions use the  xor64 described in~\cite{Marsaglia2003}, whereas the naive versions
470 embed  the three  xor-like  PRNGs described  in Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}.   In
471 order to obtain the optimal performances, the storage of pseudorandom numbers
472 to the GPU memory has been removed. This step is time-consuming and slows down the numbers
473 generation.  Moreover this   storage  is  completely
474 useless, in case of applications that consume the pseudorandom
475 numbers  directly   after they have been generated. We can see  that when the number of  threads is greater
476 than approximately 30,000 and less than 5 million, the number of pseudorandom numbers generated
477 per second  is almost constant.  With the  naive version, this value ranges from 2.5 to
478 3GSamples/s.   With  the  optimized   version,  it  is  approximately  equal to
479 20GSamples/s. Finally  we can remark  that both GPU  cards are quite  similar, but in
480 practice,  the Tesla C1060  has more  memory than  the GTX  280, and  this memory
481 should be of better quality.
482 As a  comparison,   Listing~\ref{algo:seqCIPRNG}  leads   to the  generation of  about
483 138MSample/s when using one core of the Xeon E5530.
484
485
486
487
488
489
490
491
492 These  experiments allow  us  to conclude  that  it  is possible  to
493 generate a very large quantity of pseudorandom  numbers statistically perfect with the  xor-like version.
494
495
496 \section{Summary}
497
498
499 In this chapter,  a PRNG based on chaotic iterations is  presented.   It is proven to be
500 chaotic according to Devaney.   Efficient implementations  on GPU
501 using xor-like PRNGs  as input generators have shown that  a very large quantity
502 of pseudorandom  numbers can be  generated per second (about  20Gsamples/s on a Tesla C1060), and
503 that these proposed PRNGs succeed in passing the hardest battery in TestU01, namely, the {\it BigCrush}.
504
505
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510 \putbib[Chapters/chapter18/biblio18]
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