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[prng_gpu.git] / prng_gpu.tex
1 \documentclass{article}
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11 \usepackage{listings}
12 \usepackage[standard]{ntheorem}
13
14 % Pour mathds : les ensembles IR, IN, etc.
15 \usepackage{dsfont}
16
17 % Pour avoir des intervalles d'entiers
18 \usepackage{stmaryrd}
19
20 \usepackage{graphicx}
21 % Pour faire des sous-figures dans les figures
22 \usepackage{subfigure}
23
24 \usepackage{color}
25
26 \newtheorem{notation}{Notation}
27
28 \newcommand{\X}{\mathcal{X}}
29 \newcommand{\Go}{G_{f_0}}
30 \newcommand{\B}{\mathds{B}}
31 \newcommand{\N}{\mathds{N}}
32 \newcommand{\BN}{\mathds{B}^\mathsf{N}}
33 \let\sur=\overline
34
35 \newcommand{\alert}[1]{\begin{color}{blue}\textit{#1}\end{color}}
36
37 \title{Efficient generation of pseudo random numbers based on chaotic iterations on GPU}
38 \begin{document}
39
40 \author{Jacques M. Bahi, Rapha\"{e}l Couturier, and Christophe Guyeux\thanks{Authors in alphabetic order}}
41
42 \maketitle
43
44 \begin{abstract}
45 This is the abstract
46 \end{abstract}
47
48 \section{Introduction}
49
50 Interet des itérations chaotiques pour générer des nombre alea\\
51 Interet de générer des nombres alea sur GPU
52 \alert{RC, un petit state-of-the-art sur les PRNGs sur GPU ?}
53 ...
54
55
56 \section{Basic Recalls}
57 \label{section:BASIC RECALLS}
58 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of topological chaos and chaotic iterations.
59 \subsection{Devaney's chaotic dynamical systems}
60
61 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$ denotes the $i^{th}$ component of a vector $V$. $f^{k}=f\circ ...\circ f$ denotes the $k^{th}$ composition of a function $f$. Finally, the following notation is used: $\llbracket1;N\rrbracket=\{1,2,\hdots,N\}$.
62
63
64 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f : \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
65
66 \begin{definition}
67 $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq \varnothing$.
68 \end{definition}
69
70 \begin{definition}
71 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$ if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
72 \end{definition}
73
74 \begin{definition}
75 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$, any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without necessarily the same period).
76 \end{definition}
77
78
79 \begin{definition}
80 $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and topologically transitive.
81 \end{definition}
82
83 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
84
85 \begin{definition}
86 \label{sensitivity} $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
87 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
88
89 $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
90 \end{definition}
91
92 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an element of the definition of chaos). To sum up, quoting Devaney in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is unpredictable because of the sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or simplified 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.
93
94
95
96 \subsection{Chaotic iterations}
97 \label{sec:chaotic iterations}
98
99
100 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in
101 \mathds{N}^*$ of elements  (or \emph{cells}), so that each  cell has a
102 Boolean  \emph{state}. Having $\mathsf{N}$ Boolean values for these
103  cells  leads to the definition of a particular \emph{state  of the
104 system}. A sequence which  elements belong to $\llbracket 1;\mathsf{N}
105 \rrbracket $ is called a \emph{strategy}. The set of all strategies is
106 denoted by $\mathbb{S}.$
107
108 \begin{definition}
109 \label{Def:chaotic iterations}
110 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let
111 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be
112 a  function  and  $S\in  \mathbb{S}$  be  a  strategy.  The  so-called
113 \emph{chaotic      iterations}     are     defined      by     $x^0\in
114 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and
115 $$
116 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
117 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
118 \begin{array}{ll}
119   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\
120   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.
121 \end{array}\right.
122 $$
123 \end{definition}
124
125 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is
126 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .  Note  that in  a more
127 general  formulation,  $S^n$  can   be  a  subset  of  components  and
128 $\left(f(x^{n-1})\right)_{S^{n}}$      can     be      replaced     by
129 $\left(f(x^{k})\right)_{S^{n}}$, where  $k<n$, describing for example,
130 delays  transmission~\cite{Robert1986,guyeux10}.  Finally,  let us  remark that
131 the term  ``chaotic'', in  the name of  these iterations,  has \emph{a
132 priori} no link with the mathematical theory of chaos, recalled above.
133
134
135 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
136
137 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function:
138 \begin{equation*}
139 \begin{array}{lrll}
140 F_{f}: & \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
141 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
142 & (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+f(E)_{k}.\overline{\delta
143 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
144 \end{array}%
145 \end{equation*}%
146 \noindent where + and . are the Boolean addition and product operations.
147 Consider the phase space:
148 \begin{equation*}
149 \mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times
150 \mathds{B}^\mathsf{N},
151 \end{equation*}
152 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
153 \begin{equation}
154 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
155 \end{equation}
156 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathbb{S}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in \mathds{N}}\in \mathbb{S}$ and $i$ is the \emph{initial function}  $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathbb{S}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations defined in (\ref{sec:chaotic iterations}) can be described by the following iterations:
157 \begin{equation*}
158 \left\{
159 \begin{array}{l}
160 X^0 \in \mathcal{X} \\
161 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
162 \end{array}%
163 \right.
164 \end{equation*}%
165
166 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic iterations. The shift function is a famous example of a chaotic map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as chaotic. 
167
168 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})\in
169 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
170 \begin{equation*}
171 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
172 \end{equation*}
173 \noindent where
174 \begin{equation*}
175 \left\{
176 \begin{array}{lll}
177 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
178 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
179 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
180 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
181 \end{array}%
182 \right.
183 \end{equation*}
184
185
186 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
187 \begin{itemize}
188 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then their distance should increase too.
189 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective strategies start with the same terms, then the distance between these two points must be small because the evolution of the two systems will be the same for a while. Indeed, the two dynamical systems start with the same initial condition, use the same update function, and as strategies are the same for a while, then components that are updated are the same too.
190 \end{itemize}
191 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$ differ in $n$ cells. In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
192
193 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
194
195 \begin{proposition}
196 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^n$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in the metric space $(\mathcal{X},d)$.
197 \end{proposition}
198
199 The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial Boolean negation \cite{guyeux10}. To obtain a characterization, we have secondly introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
200
201 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^n$ to itself. The
202 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
203 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
204 $\mathds{B}^n$; for all $x\in\mathds{B}^n$ and $i\in \llbracket1;n\rrbracket$,
205 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
206 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
207 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
208 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
209 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
210
211 We have finally proven in \cite{FCT11} that,
212
213
214 \begin{theorem}
215 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
216 Let $f:\mathds{B}^n\to\mathds{B}^n$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
217 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
218 \end{theorem}
219
220 This result of chaos has lead us to study the possibility to build a pseudo-random number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
221 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  n \rrbracket^{\mathds{N}}  \times \mathds{B}^n$, is build from Boolean networks $f : \mathds{B}^n \rightarrow \mathds{B}^n$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$ during implementations (due to the discrete nature of $f$). It is as if $\mathds{B}^n$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  n \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance).
222
223 \section{Application to Pseudo-Randomness}
224
225 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
226 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
227 leading thus to a new PRNG that improves the statistical properties of each
228 generator taken alone. Furthermore, our generator 
229 possesses various chaos properties
230 that none of the generators used as input present.
231
232 \begin{algorithm}[h!]
233 %\begin{scriptsize}
234 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$ ($n$ bits)}
235 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
236 $x\leftarrow x^0$\;
237 $k\leftarrow b + \textit{XORshift}(b+1)$\;
238 \For{$i=0,\dots,k-1$}
239 {
240 $s\leftarrow{\textit{XORshift}(n)}$\;
241 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
242 }
243 return $x$\;
244 %\end{scriptsize}
245 \caption{PRNG with chaotic functions}
246 \label{CI Algorithm}
247 \end{algorithm}
248
249 \begin{algorithm}[h!]
250 %\SetAlgoLined                        %%RAPH: cette ligne provoque une erreur chez moi
251 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
252 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
253 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
254 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
255 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
256 $y\leftarrow{z}$\;
257 return $y$\;
258 \medskip
259 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
260 \label{XORshift}
261 \end{algorithm}
262
263
264
265
266
267 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
268 It takes as input: a function $f$;
269 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations is at least $b$ and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
270 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
271 \textit{XORshift}$(k)$ PRNGs \cite{Marsaglia2003} that returns integers uniformly distributed
272 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
273 \textit{XORshift} is a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia, which repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number with a bit shifted version of it. This PRNG, which has a period of $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. It is used in our PRNG to compute the strategy length and the strategy elements.
274
275
276 We have proven in \cite{FCT11} that,
277
278 \begin{theorem}
279   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
280   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
281   matrix and $M$ a $n\times n$ matrix defined as in the previous lemma.
282   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
283   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
284   a law that tends to the uniform distribution 
285   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
286 \end{theorem} 
287
288
289
290 \alert{Mettre encore un peu de blabla sur le PRNG, puis enchaîner en disant que, ok, on peut préserver le chaos quand on passe sur machine, mais que le chaos dont il s'agit a été prouvé pour une distance bizarroïde sur un espace non moins hémoroïde, d'où ce qui suit}
291
292
293
294 \section{The relativity of disorder}
295 \label{sec:de la relativité du désordre}
296
297 \subsection{Impact of the topology's finenesse}
298
299 Let us firstly introduce the following notations.
300
301 \begin{notation}
302 $\mathcal{X}_\tau$ will denote the topological space $\left(\mathcal{X},\tau\right)$, whereas $\mathcal{V}_\tau (x)$ will be the set of all the neighborhoods of $x$ when considering the topology $\tau$ (or simply $\mathcal{V} (x)$, if there is no ambiguity).
303 \end{notation}
304
305
306
307 \begin{theorem}
308 \label{Th:chaos et finesse}
309 Let $\mathcal{X}$ a set and $\tau, \tau'$ two topologies on $\mathcal{X}$ s.t. $\tau'$ is finer than $\tau$. Let $f:\mathcal{X} \to \mathcal{X}$, continuous both for $\tau$ and $\tau'$.
310
311 If $(\mathcal{X}_{\tau'},f)$ is chaotic according to Devaney, then $(\mathcal{X}_\tau,f)$ is chaotic too.
312 \end{theorem}
313
314 \begin{proof}
315 Let us firstly establish the transitivity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$.
316
317 Let $\omega_1, \omega_2$ two open sets of $\tau$. Then $\omega_1, \omega_2 \in \tau'$, becaus $\tau'$ is finer than $\tau$. As $f$ is $\tau'-$transitive, we can deduce that $\exists n \in \mathds{N}, \omega_1 \cap f^{(n)}(\omega_2) = \varnothing$. Consequently, $f$ is $\tau-$transitive.
318
319 Let us now consider the regularity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$, \emph{i.e.}, for all $x \in \mathcal{X}$, and for all $\tau-$neighborhood $V$ of $x$, there is a periodic point for $f$ into $V$.
320
321 Let $x \in \mathcal{X}$ and $V \in \mathcal{V}_\tau (x)$ a $\tau-$neighborhood of $x$. By definition, $\exists \omega \in \tau, x \in \omega \subset V$.
322
323 But $\tau \subset \tau'$, so $\omega \in \tau'$, and then $V \in \mathcal{V}_{\tau'} (x)$. As $(\mathcal{X}_{\tau'},f)$ is regular, there is a periodic point for $f$ into $V$, and the regularity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$ is proven.
324 \end{proof}
325
326 \subsection{A given system can always be claimed as chaotic}
327
328 Let $f$ an iteration function on $\mathcal{X}$ having at least a fixed point. Then this function is chaotic (in a certain way):
329
330 \begin{theorem}
331 Let $\mathcal{X}$ a nonempty set and $f: \mathcal{X} \to \X$ a function having at least a fixed point.
332 Then $f$ is $\tau_0-$chaotic, where $\tau_0$ is the trivial (indiscrete) topology on $\X$.
333 \end{theorem}
334
335
336 \begin{proof}
337 $f$ is transitive when $\forall \omega, \omega' \in \tau_0 \setminus \{\varnothing\}, \exists n \in \mathds{N}, f^{(n)}(\omega) \cap \omega' \neq \varnothing$.
338 As $\tau_0 = \left\{ \varnothing, \X \right\}$, this is equivalent to look for an integer $n$ s.t. $f^{(n)}\left( \X \right) \cap \X \neq \varnothing$. For instance, $n=0$ is appropriate.
339
340 Let us now consider $x \in \X$ and $V \in \mathcal{V}_{\tau_0} (x)$. Then $V = \mathcal{X}$, so $V$ has at least a fixed point for $f$. Consequently $f$ is regular, and the result is established.
341 \end{proof}
342
343
344
345
346 \subsection{A given system can always be claimed as non-chaotic}
347
348 \begin{theorem}
349 Let $\mathcal{X}$ be a set and $f: \mathcal{X} \to \X$.
350 If $\X$ is infinite, then $\left( \X_{\tau_\infty}, f\right)$ is not chaotic (for the Devaney's formulation), where $\tau_\infty$ is the discrete topology.
351 \end{theorem}
352
353 \begin{proof}
354 Let us prove it by contradiction, assuming that $\left(\X_{\tau_\infty}, f\right)$ is both transitive and regular.
355
356 Let $x \in \X$ and $\{x\}$ one of its neighborhood. This neighborhood must contain a periodic point for $f$, if we want that $\left(\X_{\tau_\infty}, f\right)$ is regular. Then $x$ must be a periodic point of $f$.
357
358 Let $I_x = \left\{ f^{(n)}(x), n \in \mathds{N}\right\}$. This set is finite because  $x$ is periodic, and $\mathcal{X}$ is infinite, then $\exists y \in \mathcal{X}, y \notin I_x$.
359
360 As $\left(\X_{\tau_\infty}, f\right)$ must be transitive, for all open nonempty sets $A$ and $B$, an integer $n$ must satisfy $f^{(n)}(A) \cap B \neq \varnothing$. However $\{x\}$ and $\{y\}$ are open sets and $y \notin I_x \Rightarrow \forall n, f^{(n)}\left( \{x\} \right) \cap \{y\} = \varnothing$.
361 \end{proof}
362
363
364
365
366
367
368 \section{Chaos on the order topology}
369
370 \subsection{The phase space is an interval of the real line}
371
372 \subsubsection{Toward a topological semiconjugacy}
373
374 In what follows, our intention is to establish, by using a topological semiconjugacy, that chaotic iterations over $\mathcal{X}$ can be described as iterations on a real interval. To do so, we must firstly introduce some notations and terminologies. 
375
376 Let $\mathcal{S}_\mathsf{N}$ be the set of sequences belonging into $\llbracket 1; \mathsf{N}\rrbracket$ and $\mathcal{X}_{\mathsf{N}} = \mathcal{S}_\mathsf{N} \times \B^\mathsf{N}$.
377
378
379 \begin{definition}
380 The function $\varphi: \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10} \rightarrow \big[ 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
381 $$
382 \begin{array}{cccl}
383 \varphi: & \mathcal{X}_{10} = \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}& \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
384  & (S,E) = \left((S^0, S^1, \hdots ); (E_0, \hdots, E_9)\right) & \longmapsto & \varphi \left((S,E)\right)
385 \end{array}
386 $$
387 \noindent where $\varphi\left((S,E)\right)$ is the real number:
388 \begin{itemize}
389 \item whose integral part $e$ is $\displaystyle{\sum_{k=0}^9 2^{9-k} E_k}$, that is, the binary digits of $e$ are $E_0 ~ E_1 ~ \hdots ~ E_9$.
390 \item whose decimal part $s$ is equal to $s = 0,S^0~ S^1~ S^2~ \hdots = \sum_{k=1}^{+\infty} 10^{-k} S^{k-1}.$ 
391 \end{itemize}
392 \end{definition}
393
394
395
396 $\varphi$ realizes the association between a point of $\mathcal{X}_{10}$ and a real number into $\big[ 0, 2^{10} \big[$. We must now translate the chaotic iterations $\Go$ on this real interval. To do so, two intermediate functions over $\big[ 0, 2^{10} \big[$ must be introduced:
397
398
399 \begin{definition}
400 \label{def:e et s}
401 Let $x \in \big[ 0, 2^{10} \big[$ and:
402 \begin{itemize}
403 \item $e_0, \hdots, e_9$ the binary digits of the integral part of $x$: $\displaystyle{\lfloor x \rfloor = \sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k}$.
404 \item $(s^k)_{k\in \mathds{N}}$ the digits of $x$, where the chosen decimal decomposition of $x$ is the one that does not have an infinite number of 9: 
405 $\displaystyle{x = \lfloor x \rfloor + \sum_{k=0}^{+\infty} s^k 10^{-k-1}}$.
406 \end{itemize}
407 $e$ and $s$ are thus defined as follows:
408 $$
409 \begin{array}{cccl}
410 e: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \mathds{B}^{10} \\
411  & x & \longmapsto & (e_0, \hdots, e_9)
412 \end{array}
413 $$
414 \noindent and
415 $$
416 \begin{array}{cccl}
417 s: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \llbracket 0, 9 \rrbracket^{\mathds{N}} \\
418  & x & \longmapsto & (s^k)_{k \in \mathds{N}}
419 \end{array}
420 $$
421 \end{definition}
422
423 We are now able to define the function $g$, whose goal is to translate the chaotic iterations $\Go$ on an interval of $\mathds{R}$.
424
425 \begin{definition}
426 $g:\big[ 0, 2^{10} \big[ \longrightarrow \big[ 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
427 $$
428 \begin{array}{cccl}
429 g: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
430 & \\
431  & x & \longmapsto & g(x)
432 \end{array}
433 $$
434 \noindent where g(x) is the real number of $\big[ 0, 2^{10} \big[$ defined bellow:
435 \begin{itemize}
436 \item its integral part has a binary decomposition equal to $e_0', \hdots, e_9'$, with:
437 $$
438 e_i' = \left\{
439 \begin{array}{ll}
440 e(x)_i & \textrm{ if } i \neq s^0\\
441 e(x)_i + 1 \textrm{ (mod 2)} & \textrm{ if } i = s^0\\
442 \end{array}
443 \right.
444 $$
445 \item whose decimal part is $s(x)^1, s(x)^2, \hdots$
446 \end{itemize}
447 \end{definition}
448
449 \bigskip
450
451
452 In other words, if $x = \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k +  \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k} ~10^{-k-1}}$, then: $$g(x) = \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} (e_k + \delta(k,s^0) \textrm{ (mod 2)}) +  \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k+1} 10^{-k-1}}.$$
453
454 \subsubsection{Defining a metric on $\big[ 0, 2^{10} \big[$}
455
456 Numerous metrics can be defined on the set $\big[ 0, 2^{10} \big[$, the most usual one being the Euclidian distance recalled bellow:
457
458 \begin{notation}
459 \index{distance!euclidienne}
460 $\Delta$ is the Euclidian distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$, that is, $\Delta(x,y) = |y-x|^2$.
461 \end{notation}
462
463 \medskip
464
465 This Euclidian distance does not reproduce exactly the notion of proximity induced by our first distance $d$ on $\X$. Indeed $d$ is finer than $\Delta$. This is the reason why we have to introduce the following metric:
466
467
468
469 \begin{definition}
470 Let $x,y \in \big[ 0, 2^{10} \big[$.
471 $D$ denotes the function from $\big[ 0, 2^{10} \big[^2$ to $\mathds{R}^+$ defined by: $D(x,y) = D_e\left(e(x),e(y)\right) + D_s\left(s(x),s(y)\right)$, where:
472 \begin{center}
473 $\displaystyle{D_e(E,\check{E}) = \sum_{k=0}^\mathsf{9} \delta (E_k, \check{E}_k)}$, ~~and~ $\displaystyle{D_s(S,\check{S}) = \sum_{k = 1}^\infty \dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^k}}$.
474 \end{center}
475 \end{definition}
476
477 \begin{proposition}
478 $D$ is a distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$.
479 \end{proposition}
480
481 \begin{proof}
482 The three axioms defining a distance must be checked.
483 \begin{itemize}
484 \item $D \geqslant 0$, because everything is positive in its definition. If $D(x,y)=0$, then $D_e(x,y)=0$, so the integral parts of $x$ and $y$ are equal (they have the same binary decomposition). Additionally, $D_s(x,y) = 0$, then $\forall k \in \mathds{N}^*, s(x)^k = s(y)^k$. In other words, $x$ and $y$ have the same $k-$th decimal digit, $\forall k \in \mathds{N}^*$. And so $x=y$.
485 \item $D(x,y)=D(y,x)$.
486 \item Finally, the triangular inequality is obtained due to the fact that both $\delta$ and $\Delta(x,y)=|x-y|$ satisfy it.
487 \end{itemize}
488 \end{proof}
489
490
491 The convergence of sequences according to $D$ is not the same than the usual convergence related to the Euclidian metric. For instance, if $x^n \to x$ according to $D$, then necessarily the integral part of each $x^n$ is equal to the integral part of $x$ (at least after a given threshold), and the decimal part of $x^n$ corresponds to the one of $x$ ``as far as required''.
492 To illustrate this fact, a comparison between $D$ and the Euclidian distance is given Figure \ref{fig:comparaison de distances}. These illustrations show that $D$ is richer and more refined than the Euclidian distance, and thus is more precise.
493
494
495 \begin{figure}[t]
496 \begin{center}
497   \subfigure[Function $x \to dist(x;1,234) $ on the interval $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien.pdf}}\quad
498   \subfigure[Function $x \to dist(x;3) $ on the interval $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien2.pdf}}
499 \end{center}
500 \caption{Comparison between $D$ (in blue) and the Euclidian distane (in green).}
501 \label{fig:comparaison de distances}
502 \end{figure}
503
504
505
506
507 \subsubsection{The semiconjugacy}
508
509 It is now possible to define a topological semiconjugacy between $\mathcal{X}$ and an interval of $\mathds{R}$:
510
511 \begin{theorem}
512 Chaotic iterations on the phase space $\mathcal{X}$ are simple iterations on $\mathds{R}$, which is illustrated by the semiconjugacy of the diagram bellow:
513 \begin{equation*}
514 \begin{CD}
515 \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right) @>G_{f_0}>> \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right)\\
516     @V{\varphi}VV                    @VV{\varphi}V\\
517 \left( ~\big[ 0, 2^{10} \big[, D~\right)  @>>g> \left(~\big[ 0, 2^{10} \big[, D~\right)
518 \end{CD}
519 \end{equation*}
520 \end{theorem}
521
522 \begin{proof}
523 $\varphi$ has been constructed in order to be continuous and onto.
524 \end{proof}
525
526 In other words, $\mathcal{X}$ is approximately equal to $\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[$.
527
528
529
530
531
532
533 \subsection{Study of the chaotic iterations described as a real function}
534
535
536 \begin{figure}[t]
537 \begin{center}
538   \subfigure[ICs on the interval $(0,9;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs09a1.pdf}}\quad
539   \subfigure[ICs on the interval $(0,7;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs07a95.pdf}}\\
540   \subfigure[ICs on the interval $(0,5;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs05a1.pdf}}\quad
541   \subfigure[ICs on the interval $(0;1)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs0a1.pdf}}
542 \end{center}
543 \caption{Representation of the chaotic iterations.}
544 \label{fig:ICs}
545 \end{figure}
546
547
548
549
550 \begin{figure}[t]
551 \begin{center}
552   \subfigure[ICs on the interval $(510;514)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs510a514.pdf}}\quad
553   \subfigure[ICs on the interval $(1000;1008)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs1000a1008.pdf}}
554 \end{center}
555 \caption{ICs on small intervals.}
556 \label{fig:ICs2}
557 \end{figure}
558
559 \begin{figure}[t]
560 \begin{center}
561   \subfigure[ICs on the interval $(0;16)$.]{\includegraphics[scale=.3]{ICs0a16.pdf}}\quad
562   \subfigure[ICs on the interval  $(40;70)$.]{\includegraphics[scale=.45]{ICs40a70.pdf}}\quad
563 \end{center}
564 \caption{General aspect of the chaotic iterations.}
565 \label{fig:ICs3}
566 \end{figure}
567
568
569 We have written a Python program to represent the chaotic iterations with the vectorial negation on the real line $\mathds{R}$. Various representations of these CIs are given in Figures \ref{fig:ICs}, \ref{fig:ICs2} and \ref{fig:ICs3}. It can be remarked that the function $g$ is a piecewise linear function: it is linear on each interval having the form $\left[ \dfrac{n}{10}, \dfrac{n+1}{10}\right[$, $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$ and its slope is equal to 10. Let us justify these claims:
570
571 \begin{proposition}
572 \label{Prop:derivabilite des ICs}
573 Chaotic iterations $g$ defined on $\mathds{R}$ have derivatives of all orders on $\big[ 0, 2^{10} \big[$, except on the 10241 points in $I$ defined by $\left\{ \dfrac{n}{10} ~\big/~ n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10\rrbracket \right\}$.
574
575 Furthermore, on each interval of the form $\left[ \dfrac{n}{10}, \dfrac{n+1}{10}\right[$, with $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$, $g$ is a linear function, having a slope equal to 10: $\forall x \notin I, g'(x)=10$.
576 \end{proposition}
577
578
579 \begin{proof}
580 Let $I_n = \left[ \dfrac{n}{10}, \dfrac{n+1}{10}\right[$, with $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$. All the points of $I_n$ have the same integral prat $e$ and the same decimal part $s^0$: on the set $I_n$,  functions $e(x)$ and $x \mapsto s(x)^0$ of Definition \ref{def:e et s} only depend on $n$. So all the images $g(x)$ of these points $x$:
581 \begin{itemize}
582 \item Have the same integral part, which is $e$, except probably the bit number $s^0$. In other words, this integer has approximately the same binary decomposition than $e$, the sole exception being the digit $s^0$ (this number is then either $e+2^{10-s^0}$ or $e-2^{10-s^0}$, depending on the parity of $s^0$, \emph{i.e.}, it is equal to $e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}$).
583 \item A shift to the left has been applied to the decimal part $y$, losing by doing so the common first digit $s^0$. In other words, $y$ has been mapped into $10\times y - s^0$.
584 \end{itemize}
585 To sum up, the action of $g$ on the points of $I$ is as follows: first, make a multiplication by 10, and second, add the same constant to each term, which is $\dfrac{1}{10}\left(e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}\right)-s^0$.
586 \end{proof}
587
588 \begin{remark}
589 Finally, chaotic iterations are elements of the large family of functions that are both chaotic and piecewise linear (like the tent map).
590 \end{remark}
591
592
593
594 \subsection{Comparison of the two metrics on $\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[$}
595
596 The two propositions bellow allow to compare our two distances on $\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[$:
597
598 \begin{proposition}
599 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,\Delta~\right) \to \left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[, D~\right)$ is not continuous. 
600 \end{proposition}
601
602 \begin{proof}
603 The sequence $x^n = 1,999\hdots 999$ constituted by $n$ 9 as decimal part, is such that:
604 \begin{itemize}
605 \item $\Delta (x^n,2) \to 0.$
606 \item But $D(x^n,2) \geqslant 1$, then $D(x^n,2)$ does not converge to 0.
607 \end{itemize}
608
609 The sequential characterization of the continuity concludes the demonstration.
610 \end{proof}
611
612
613
614 A contrario:
615
616 \begin{proposition}
617 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,D~\right) \to \left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[, \Delta ~\right)$ is a continuous fonction. 
618 \end{proposition}
619
620 \begin{proof}
621 If $D(x^n,x) \to 0$, then $D_e(x^n,x) = 0$ at least for $n$ larger than a given threshold, because $D_e$ only returns integers. So, after this threshold, the integral parts of all the $x^n$ are equal to the integral part of $x$. 
622
623 Additionally, $D_s(x^n, x) \to 0$, then $\forall k \in \mathds{N}^*, \exists N_k \in \mathds{N}, n \geqslant N_k \Rightarrow D_s(x^n,x) \leqslant 10^{-k}$. This means that for all $k$, an index $N_k$ can be found such that, $\forall n \geqslant N_k$, all the $x^n$ have the same $k$ firsts digits, which are the digits of $x$. We can deduce the convergence $\Delta(x^n,x) \to 0$, and thus the result.
624 \end{proof}
625
626 The conclusion of these propositions is that the proposed metric is more precise than the Euclidian distance, that is:
627
628 \begin{corollary}
629 $D$ is finer than the Euclidian distance $\Delta$.
630 \end{corollary}
631
632 This corollary can be reformulated as follows:
633
634 \begin{itemize}
635 \item The topology produced by $\Delta$ is a subset of the topology produced by $D$.
636 \item $D$ has more open sets than $\Delta$.
637 \item It is harder to converge for the topology $\tau_D$ inherited by $D$, than to converge with the one inherited by $\Delta$, which is denoted here by $\tau_\Delta$.
638 \end{itemize}
639
640
641 \subsection{Chaos of the chaotic iterations on $\mathds{R}$}
642 \label{chpt:Chaos des itérations chaotiques sur R}
643
644
645
646 \subsubsection{Chaos according to Devaney}
647
648 We have recalled previously that the chaotic iterations $\left(\Go, \mathcal{X}_d\right)$ are chaotic according to the formulation of Devaney. We can deduce that they are chaotic on $\mathds{R}$ too, when considering the order topology, because:
649 \begin{itemize}
650 \item $\left(\Go, \mathcal{X}_d\right)$ and $\left(g, \big[ 0, 2^{10} \big[_D\right)$ are semiconjugate by $\varphi$,
651 \item Then $\left(g, \big[ 0, 2^{10} \big[_D\right)$ is a system chaotic according to Devaney, because the semiconjugacy preserve this character.
652 \item But the topology generated by $D$ is finer than the topology generated by the Euclidian distance $\Delta$ -- which is the order topology.
653 \item According to Theorem \ref{Th:chaos et finesse}, we can deduce that the chaotic iterations $g$ are indeed chaotic, as defined by Devaney, for the order topology on $\mathds{R}$.
654 \end{itemize}
655
656 This result can be formulated as follows.
657
658 \begin{theorem}
659 \label{th:IC et topologie de l'ordre}
660 The chaotic iterations $g$ on $\mathds{R}$ are chaotic according to the Devaney's formulation, when $\mathds{R}$ has his usual topology, which is the order topology.
661 \end{theorem}
662
663 Indeed this result is weaker than the theorem establishing the chaos for the finer topology $d$. However the Theorem \ref{th:IC et topologie de l'ordre} still remains important. Indeed, we have studied in our previous works a set different from the usual set of study ($\mathcal{X}$ instead of $\mathds{R}$), in order to be as close as possible from the computer: the properties of disorder proved theoretically will then be preserved when computing. However, we could wonder whether this change does not lead to a disorder of a lower quality. In other words, have we replaced a situation of a good disorder lost when computing, to another situation of a disorder preserved but of bad quality. Theorem \ref{th:IC et topologie de l'ordre} prove exactly the contrary.
664  
665
666
667
668 \section{Efficient prng based on chaotic iterations}
669
670 In  order to  implement efficiently  a PRNG  based on  chaotic iterations  it is
671 possible to improve  previous works [ref]. One solution  consists in considering
672 that the  strategy used contains all the  bits for which the  negation is
673 achieved out. Then in order to apply  the negation on these bits we can simply
674 apply the  xor operator between  the current number  and the strategy. In
675 order to obtain the strategy we also use a classical PRNG.
676
677 Here  is an  example with  16-bits numbers  showing how  the bit  operations are
678 applied.  Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are defined  in binary mode.
679 Then the following table shows the result of $x$ xor $S^i$.
680 $$
681 \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
682 \hline
683 x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
684 \hline
685 S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
686 \hline
687 x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
688 \hline
689
690 \hline
691  \end{array}
692 $$
693
694 %% \begin{figure}[htbp]
695 %% \begin{center}
696 %% \fbox{
697 %% \begin{minipage}{14cm}
698 %% unsigned int CIprng() \{\\
699 %%   static unsigned int x = 123123123;\\
700 %%   unsigned long t1 = xorshift();\\
701 %%   unsigned long t2 = xor128();\\
702 %%   unsigned long t3 = xorwow();\\
703 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t1;\\
704 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t2$>>$32);\\
705 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t3$>>$32);\\
706 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t2;\\
707 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t1$>>$32);\\
708 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t3;\\
709 %%   return x;\\
710 %% \}
711 %% \end{minipage}
712 %% }
713 %% \end{center}
714 %% \caption{sequential Chaotic Iteration PRNG}
715 %% \label{algo:seqCIprng}
716 %% \end{figure}
717
718
719
720 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential chaotic iterations based PRNG},label=algo:seqCIprng}
721 \begin{lstlisting}
722 unsigned int CIprng() {
723   static unsigned int x = 123123123;
724   unsigned long t1 = xorshift();
725   unsigned long t2 = xor128();
726   unsigned long t3 = xorwow();
727   x = x^(unsigned int)t1;
728   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
729   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
730   x = x^(unsigned int)t2;
731   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
732   x = x^(unsigned int)t3;
733   return x;
734 }
735 \end{lstlisting}
736
737
738
739
740
741 In listing~\ref{algo:seqCIprng}  a sequential  version of our  chaotic iterations
742 based PRNG  is presented. The xor operator is represented by \textasciicircum. This function  uses three classical  64-bits PRNG: the
743 \texttt{xorshift},   the  \texttt{xor128}  and   the  \texttt{xorwow}.   In  the
744 following,  we  call them  xor-like  PRNGSs.   These  three PRNGs  are  presented
745 in~\cite{Marsaglia2003}.  As each xor-like  PRNG used works with 64-bits  and as our PRNG
746 works  with 32-bits, the  use of  \texttt{(unsigned int)}  selects the  32 least
747 significant bits  whereas \texttt{(unsigned int)(t3$>>$32)} selects  the 32 most
748 significants  bits of the  variable \texttt{t}.  So to  produce a  random number
749 realizes 6  xor operations with  6 32-bits numbers  produced by 3  64-bits PRNG.
750 This version  successes the  BigCrush of the  TestU01 battery [P.   L’ecuyer and
751   R. Simard. Testu01].
752
753 \section{Efficient prng based on chaotic iterations on GPU}
754
755 In  order to benefit  from computing  power of  GPU, a  program needs  to define
756 independent blocks of threads which  can be computed simultaneously. In general,
757 the larger the number of threads is,  the more local memory is used and the less
758 branching  instructions are  used (if,  while, ...),  the better  performance is
759 obtained  on  GPU.  So  with  algorithm  \ref{algo:seqCIprng}  presented in  the
760 previous section, it is possible to  build a similar program which computes PRNG
761 on  GPU. The principe  consists in  assigning the  computation of  a PRNG  as in
762 sequential to each thread of the GPU.  Of course, it is essential that the three
763 xor-like PRNGs used  for our computation have different  parameters. So we chose
764 them randomly with another PRNG. As  the initialisation is performed by the CPU,
765 we have chosen to  use the ISAAC PRNG [ref] to initalize  all the parameters for
766 the GPU version of our PRNG.   The implementation of the three xor-like PRNGs is
767 straightforward  as soon  as their  parameters have  been allocated  in  the GPU
768 memory. Each xor-like  PRNGs used works with an internal  number $x$ which keeps
769 the last generated random numbers. Other internal variables are also used by the
770 xor-like PRNGs. More  precisely, the implementation of the  xor128, the xorshift
771 and  the xorwow  respectively  require 4,  5  and 6  unsigned  long as  internal
772 variables.
773
774 \begin{algorithm}
775
776 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like PRNGs in global memory\;
777 NumThreads: Number of threads\;}
778 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
779 \If{threadId is concerned} {
780   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables\;
781   \For{i=1 to n} {
782     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIprng}\;
783     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
784   }
785   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
786 }
787
788 \caption{main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU version}
789 \label{algo:gpu_kernel}
790 \end{algorithm}
791
792 According to  the available  memory in the  GPU and  the number of  threads used
793 simultenaously, the number of random numbers that a thread can generate inside a
794 kernel     is     limited,      i.e.      the     variable     \texttt{n}     in
795 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}. For example, if  $100,000$ threads are used and
796 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)}
797 then   the  memory   required   to  store   internals   variables  of   xor-like
798 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
799 and  random  number of  our  PRNG  is  equals to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
800 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, i.e. about $52$Mb.
801
802 All the  tests performed  to pass the  BigCrush of TestU01  succeeded. Different
803 number of threads have been tested upto $10$ millions.
804
805 \section{Experiments}
806
807 Differents experiments have been performed in order to measure the generation speed.
808
809
810 First of all we have compared the time to generate X random numbers with both the CPU version and the GPU version. 
811
812 Faire une courbe du nombre de random en fonction du nombre de threads, éventuellement en fonction du nombres de threads par bloc.
813
814
815 \section{Conclusion}
816 \bibliographystyle{plain}
817 \bibliography{mabase}
818 \end{document}