]> AND Private Git Repository - prng_gpu.git/blob - prng_gpu.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
1c7c9fea5064b7e4686f67312d5ff2056e3b1e95
[prng_gpu.git] / prng_gpu.tex
1 \documentclass{article}
2 \usepackage[utf8]{inputenc}
3 \usepackage[T1]{fontenc}
4 \usepackage{fullpage}
5 \usepackage{fancybox}
6 \usepackage{amsmath}
7 \usepackage{amscd}
8 \usepackage{moreverb}
9 \usepackage{commath}
10 \usepackage{algorithm2e}
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 and Cryptographically Secure Generation of Chaotic Pseudorandom Numbers on GPU}
38 \begin{document}
39
40 \author{Jacques M. Bahi, Rapha\"{e}l Couturier,  Christophe
41 Guyeux, and Pierre-Cyrille Heam\thanks{Authors in alphabetic order}}
42    
43 \maketitle
44
45 \begin{abstract}
46 In this paper we present a new pseudorandom number generator (PRNG) on
47 graphics processing units  (GPU). This PRNG is based  on the so-called chaotic iterations.  It
48 is firstly proven  to be chaotic according to the Devaney's  formulation. We thus propose  an efficient
49 implementation  for  GPU that successfully passes the   {\it BigCrush} tests, deemed to be the  hardest
50 battery of tests in TestU01.  Experiments show that this PRNG can generate
51 about 20 billions of random numbers  per second on Tesla C1060 and NVidia GTX280
52 cards.
53 It is finally established that, under reasonable assumptions, the proposed PRNG can be cryptographically 
54 secure.
55
56
57 \end{abstract}
58
59 \section{Introduction}
60
61 Randomness is of importance in many fields as scientific simulations or cryptography. 
62 ``Random numbers'' can mainly be generated either by a deterministic and reproducible algorithm
63 called a pseudorandom number generator (PRNG), or by a physical non-deterministic 
64 process having all the characteristics of a random noise, called a truly random number
65 generator (TRNG). 
66 In this paper, we focus on reproducible generators, useful for instance in
67 Monte-Carlo based simulators or in several cryptographic schemes.
68 These domains need PRNGs that are statistically irreproachable. 
69 On some fields as in numerical simulations, speed is a strong requirement
70 that is usually attained by using parallel architectures. In that case,
71 a recurrent problem is that a deflate of the statistical qualities is often
72 reported, when the parallelization of a good PRNG is realized.
73 This is why ad-hoc PRNGs for each possible architecture must be found to
74 achieve both speed and randomness.
75 On the other side, speed is not the main requirement in cryptography: the great
76 need is to define \emph{secure} generators being able to withstand malicious
77 attacks. Roughly speaking, an attacker should not be able in practice to make 
78 the distinction between numbers obtained with the secure generator and a true random
79 sequence. 
80 Finally, a small part of the community working in this domain focus on a
81 third requirement, that is to define chaotic generators.
82 The main idea is to take benefits from a chaotic dynamical system to obtain a
83 generator that is unpredictable, disordered, sensible to its seed, or in other words chaotic.
84 Their desire is to map a given chaotic dynamics into a sequence that seems random 
85 and unassailable due to chaos.
86 However, the chaotic maps used as a pattern are defined in the real line 
87 whereas computers deal with finite precision numbers.
88 This distortion leads to a deflation of both chaotic properties and speed.
89 Furthermore, authors of such chaotic generators often claim their PRNG
90 as secure due to their chaos properties, but there is no obvious relation
91 between chaos and security as it is understood in cryptography.
92 This is why the use of chaos for PRNG still remains marginal and disputable.
93
94 The authors' opinion is that topological properties of disorder, as they are
95 properly defined in the mathematical theory of chaos, can reinforce the quality
96 of a PRNG. But they are not substitutable for security or statistical perfection.
97 Indeed, to the authors' point of view, such properties can be useful in the two following situations. On the
98 one hand, a post-treatment based on a chaotic dynamical system can be applied
99 to a PRNG statistically deflective, in order to improve its statistical 
100 properties. Such an improvement can be found, for instance, in~\cite{bgw09:ip,bcgr11:ip}.
101 On the other hand, chaos can be added to a fast, statistically perfect PRNG and/or a
102 cryptographically secure one, in case where chaos can be of interest,
103 \emph{only if these last properties are not lost during
104 the proposed post-treatment}. Such an assumption is behind this research work.
105 It leads to the attempts to define a 
106 family of PRNGs that are chaotic while being fast and statistically perfect,
107 or cryptographically secure.
108 Let us finish this paragraph by noticing that, in this paper, 
109 statistical perfection refers to the ability to pass the whole 
110 {\it BigCrush} battery of tests, which is widely considered as the most
111 stringent statistical evaluation of a sequence claimed as random.
112 This battery can be found into the well-known TestU01 package~\cite{LEcuyerS07}.
113 Chaos, for its part, refers to the well-established definition of a
114 chaotic dynamical system proposed by Devaney~\cite{Devaney}.
115
116
117 In a previous work~\cite{bgw09:ip,guyeux10} we have proposed a post-treatment on PRNGs making them behave
118 as a chaotic dynamical system. Such a post-treatment leads to a new category of
119 PRNGs. We have shown that proofs of Devaney's chaos can be established for this
120 family, and that the sequence obtained after this post-treatment can pass the
121 NIST~\cite{Nist10}, DieHARD~\cite{Marsaglia1996}, and TestU01~\cite{LEcuyerS07} batteries of tests, even if the inputted generators
122 cannot.
123 The proposition of this paper is to improve widely the speed of the formerly
124 proposed generator, without any lack of chaos or statistical properties.
125 In particular, a version of this PRNG on graphics processing units (GPU)
126 is proposed.
127 Although GPU was initially designed  to accelerate
128 the manipulation of  images, they are nowadays commonly  used in many scientific
129 applications. Therefore,  it is important  to be able to  generate pseudorandom
130 numbers inside a GPU when a scientific application runs in it. This remark
131 motivates our proposal of a chaotic and statistically perfect PRNG for GPU.  
132 Such device
133 allows us to generated almost 20 billions of pseudorandom numbers per second.
134 Last, but not least, we show that the proposed post-treatment preserves the
135 cryptographical security of the inputted PRNG, when this last has such a 
136 property.
137
138 The remainder of this paper  is organized as follows. In Section~\ref{section:related
139   works} we  review some GPU implementations  of PRNGs.  Section~\ref{section:BASIC
140   RECALLS} gives some basic recalls  on the well-known Devaney's formulation of chaos, 
141   and on an iteration process called ``chaotic
142 iterations'' on which the post-treatment is based. 
143 Proofs of chaos are given in  Section~\ref{sec:pseudorandom}.
144 Section~\ref{sec:efficient    prng}   presents   an   efficient
145 implementation of  this chaotic PRNG  on a CPU, whereas   Section~\ref{sec:efficient prng
146   gpu}   describes   the  GPU   implementation. 
147 Such generators are experimented in 
148 Section~\ref{sec:experiments}.
149 We show in Section~\ref{sec:security analysis} that, if the inputted
150 generator is cryptographically secure, then it is the case too for the
151 generator provided by the post-treatment.
152 Such a proof leads to the proposition of a cryptographically secure and
153 chaotic generator on GPU based on the famous Blum Blum Shum
154 in Section~\ref{sec:CSGPU}.
155 This research work ends by a conclusion section, in which the contribution is
156 summarized and intended future work is presented.
157
158
159
160
161 \section{Related works on GPU based PRNGs}
162 \label{section:related works}
163
164 Numerous research works on defining GPU based PRNGs have yet been proposed  in the
165 literature, so that completeness is impossible.
166 This is why authors of this document only give reference to the most significant attempts 
167 in this domain, from their subjective point of view. 
168 The  quantity of pseudorandom numbers generated per second is mentioned here 
169 only when the information is given in the related work. 
170 A million numbers  per second will be simply written as
171 1MSample/s whereas a billion numbers per second is 1GSample/s.
172
173 In \cite{Pang:2008:cec}  a PRNG based on  cellular automata is defined
174 with no  requirement to an high  precision  integer   arithmetic  or to any bitwise
175 operations. Authors can   generate  about
176 3.2MSamples/s on a GeForce 7800 GTX GPU, which is quite an old card now.
177 However, there is neither a mention of statistical tests nor any proof of
178 chaos or cryptography in this document.
179
180 In \cite{ZRKB10}, the authors propose  different versions of efficient GPU PRNGs
181 based on  Lagged Fibonacci or Hybrid  Taus.  They have  used these
182 PRNGs   for  Langevin   simulations   of  biomolecules   fully  implemented   on
183 GPU. Performance of  the GPU versions are far better than  those obtained with a
184 CPU, and these PRNGs succeed to pass the {\it BigCrush} battery of TestU01. 
185 However the evaluations of the proposed PRNGs are only statistical ones.
186
187
188 Authors of~\cite{conf/fpga/ThomasHL09}  have studied the  implementation of some
189 PRNGs on  different computing architectures: CPU,  field-programmable gate array
190 (FPGA), massively parallel  processors, and GPU. This study is of interest, because
191 the  performance  of the  same  PRNGs on  different architectures are compared. 
192 FPGA appears as  the  fastest  and the most
193 efficient architecture, providing the fastest number of generated pseudorandom numbers
194 per joule. 
195 However, we can notice that authors can ``only'' generate between 11 and 16GSamples/s
196 with a GTX 280  GPU, which should be compared with
197 the results presented in this document.
198 We can remark too that the PRNGs proposed in~\cite{conf/fpga/ThomasHL09} are only
199 able to pass the {\it Crush} battery, which is very easy compared to the {\it Big Crush} one.
200
201 Lastly, Cuda  has developed  a  library for  the  generation of  pseudorandom numbers  called
202 Curand~\cite{curand11}.        Several       PRNGs        are       implemented, among
203 other things 
204 Xorwow~\cite{Marsaglia2003} and  some variants of Sobol. The  tests reported show that
205 their  fastest version provides  15GSamples/s on  the new  Fermi C2050  card. 
206 But their PRNGs cannot pass the whole TestU01 battery (only one test is failed).
207 \newline
208 \newline
209 We can finally remark that, to the best of our knowledge, no GPU implementation have been proven to be chaotic, and the cryptographically secure property is surprisingly never regarded.
210
211 \section{Basic Recalls}
212 \label{section:BASIC RECALLS}
213
214 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
215 topological chaos and chaotic iterations.
216 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
217
218 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$
219 denotes the $i^{th}$ component of a vector $V$. $f^{k}=f\circ ...\circ f$
220 is for the $k^{th}$ composition of a function $f$. Finally, the following
221 notation is used: $\llbracket1;N\rrbracket=\{1,2,\hdots,N\}$.
222
223
224 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f :
225 \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
226
227 \begin{definition}
228 $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
229 $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq
230 \varnothing$.
231 \end{definition}
232
233 \begin{definition}
234 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$
235 if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
236 \end{definition}
237
238 \begin{definition}
239 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic
240 points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$,
241 any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without
242 necessarily the same period).
243 \end{definition}
244
245
246 \begin{definition}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
247 $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
248 topologically transitive.
249 \end{definition}
250
251 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined
252 on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
253
254 \begin{definition}
255 \label{sensitivity} $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
256 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
257 neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that
258 $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
259
260 $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
261 \end{definition}
262
263 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is
264 chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of
265 sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an
266 element of the definition of chaos). To sum up, quoting Devaney
267 in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is unpredictable because of the
268 sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or
269 simplified into two subsystems which do not interact because of topological
270 transitivity. And in the midst of this random behavior, we nevertheless have an
271 element of regularity''. Fundamentally different behaviors are consequently
272 possible and occur in an unpredictable way.
273
274
275
276 \subsection{Chaotic Iterations}
277 \label{sec:chaotic iterations}
278
279
280 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in
281 \mathds{N}^*$ of elements  (or \emph{cells}), so that each  cell has a
282 Boolean  \emph{state}. Having $\mathsf{N}$ Boolean values for these
283  cells  leads to the definition of a particular \emph{state  of the
284 system}. A sequence which  elements belong to $\llbracket 1;\mathsf{N}
285 \rrbracket $ is called a \emph{strategy}. The set of all strategies is
286 denoted by $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}.$
287
288 \begin{definition}
289 \label{Def:chaotic iterations}
290 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let
291 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be
292 a  function  and  $S\in  \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$  be  a  ``strategy''.  The  so-called
293 \emph{chaotic      iterations}     are     defined      by     $x^0\in
294 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and
295 \begin{equation}
296 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
297 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
298 \begin{array}{ll}
299   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\
300   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.
301 \end{array}\right.
302 \end{equation}
303 \end{definition}
304
305 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is
306 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .  Note  that in  a more
307 general  formulation,  $S^n$  can   be  a  subset  of  components  and
308 $\left(f(x^{n-1})\right)_{S^{n}}$      can     be      replaced     by
309 $\left(f(x^{k})\right)_{S^{n}}$, where  $k<n$, describing for example,
310 delays  transmission~\cite{Robert1986,guyeux10}.  Finally,  let us  remark that
311 the term  ``chaotic'', in  the name of  these iterations,  has \emph{a
312 priori} no link with the mathematical theory of chaos, presented above.
313
314
315 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations
316 are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
317
318 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta
319 (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function:
320 \begin{equation}
321 \begin{array}{lrll}
322 F_{f}: & \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
323 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
324 & (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+f(E)_{k}.\overline{\delta
325 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
326 \end{array}%
327 \end{equation}%
328 \noindent where + and . are the Boolean addition and product operations.
329 Consider the phase space:
330 \begin{equation}
331 \mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times
332 \mathds{B}^\mathsf{N},
333 \end{equation}
334 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
335 \begin{equation}
336 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
337 \end{equation}
338 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
339 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
340 \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
341 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket
342 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations proposed in
343 Definition \ref{Def:chaotic iterations} can be described by the following iterations:
344 \begin{equation}
345 \left\{
346 \begin{array}{l}
347 X^0 \in \mathcal{X} \\
348 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
349 \end{array}%
350 \right.
351 \end{equation}%
352
353 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic
354 iterations. The shift function is a famous example of a chaotic
355 map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as
356 chaotic. 
357 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y =
358 (\check{S},\check{E})\in
359 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
360 \begin{equation}
361 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
362 \end{equation}
363 \noindent where
364 \begin{equation}
365 \left\{
366 \begin{array}{lll}
367 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
368 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
369 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
370 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
371 \end{array}%
372 \right.
373 \end{equation}
374
375
376 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
377 \begin{itemize}
378 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then
379 their distance should increase too.
380 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective
381 strategies start with the same terms, then the distance between these two points
382 must be small because the evolution of the two systems will be the same for a
383 while. Indeed, the two dynamical systems start with the same initial condition,
384 use the same update function, and as strategies are the same for a while, then
385 components that are updated are the same too.
386 \end{itemize}
387 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
388 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$
389 differ in $n$ cells ($d_e$ is indeed the Hamming distance). In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a
390 measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More
391 precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first
392 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is
393 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
394 The impact of this choice for a distance will be investigate at the end of the document.
395
396 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
397
398 \begin{proposition}
399 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in
400 the metric space $(\mathcal{X},d)$.
401 \end{proposition}
402
403 The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial
404 Boolean negation $f(x_1,\hdots, x_\mathsf{N}) =  (\overline{x_1},\hdots, \overline{x_\mathsf{N}})$ \cite{guyeux10}. To obtain a characterization, we have secondly
405 introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
406
407 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. The
408 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
409 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
410 $\mathds{B}^\mathsf{N}$; for all $x\in\mathds{B}^\mathsf{N}$ and 
411 $i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket$,
412 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
413 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
414 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
415 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
416 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
417
418 We have finally proven in \cite{bcgr11:ip} that,
419
420
421 \begin{theorem}
422 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
423 Let $f:\mathds{B}^\mathsf{N}\to\mathds{B}^\mathsf{N}$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
424 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
425 \end{theorem}
426
427 This result of chaos has lead us to study the possibility to build a
428 pseudorandom number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
429 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  \mathsf{N} \rrbracket^{\mathds{N}} 
430 \times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is build from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
431 \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$
432 during implementations (due to the discrete nature of $f$). It is as if
433 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  \mathsf{N}
434 \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance, in PRNG, or a physical noise in TRNG).
435
436 \section{Application to Pseudorandomness}
437 \label{sec:pseudorandom}
438
439 \subsection{A First Pseudorandom Number Generator}
440
441 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
442 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
443 leading thus to a new PRNG that improves the statistical properties of each
444 generator taken alone. Furthermore, our generator 
445 possesses various chaos properties that none of the generators used as input
446 present.
447
448 \begin{algorithm}[h!]
449 %\begin{scriptsize}
450 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$
451 ($n$ bits)}
452 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
453 $x\leftarrow x^0$\;
454 $k\leftarrow b + \textit{XORshift}(b)$\;
455 \For{$i=0,\dots,k$}
456 {
457 $s\leftarrow{\textit{XORshift}(n)}$\;
458 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
459 }
460 return $x$\;
461 %\end{scriptsize}
462 \caption{PRNG with chaotic functions}
463 \label{CI Algorithm}
464 \end{algorithm}
465
466 \begin{algorithm}[h!]
467 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
468 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
469 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
470 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
471 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
472 $y\leftarrow{z}$\;
473 return $y$\;
474 \medskip
475 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
476 \label{XORshift}
477 \end{algorithm}
478
479
480
481
482
483 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
484 It takes as input: a Boolean function $f$ satisfying Theorem~\ref{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques};
485 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations is at least $b$
486 and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
487 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
488 \textit{XORshift}$(k)$ PRNGs~\cite{Marsaglia2003} that returns integers
489 uniformly distributed
490 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
491 \textit{XORshift} is a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia,
492 which repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number
493 with a bit shifted version of it. This PRNG, which has a period of
494 $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. It is used
495 in our PRNG to compute the strategy length and the strategy elements.
496
497
498 We have proven in \cite{bcgr11:ip} that,
499 \begin{theorem}
500   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
501   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
502   matrix and $M$ a $n\times n$ matrix defined as in the previous lemma.
503   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
504   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
505   a law that tends to the uniform distribution 
506   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
507 \end{theorem} 
508
509 This former generator as successively passed various batteries of statistical tests, as the NIST~\cite{bcgr11:ip}, DieHARD~\cite{Marsaglia1996}, and TestU01~\cite{LEcuyerS07}.
510
511 \subsection{Improving the Speed of the Former Generator}
512
513 Instead of updating only one cell at each iteration, we can try to choose a
514 subset of components and to update them together. Such an attempt leads
515 to a kind of merger of the two sequences used in Algorithm 
516 \ref{CI Algorithm}. When the updating function is the vectorial negation,
517 this algorithm can be rewritten as follows:
518
519 \begin{equation}
520 \left\{
521 \begin{array}{l}
522 x^0 \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket, S \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket^\mathds{N} \\
523 \forall n \in \mathds{N}^*, x^n = x^{n-1} \oplus S^n,
524 \end{array}
525 \right.
526 \label{equation Oplus}
527 \end{equation}
528 where $\oplus$ is for the bitwise exclusive or between two integers. 
529 This rewritten can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
530 sequence $S$, which is an integer of $\mathsf{N}$ binary digits, presents
531 the list of cells to update in the state $x^n$ of the system (represented
532 as an integer having $\mathsf{N}$ bits too). More precisely, the $k-$th 
533 component of this state (a binary digit) changes if and only if the $k-$th 
534 digit in the binary decomposition of $S^n$ is 1.
535
536 The single basic component presented in Eq.~\ref{equation Oplus} is of 
537 ordinary use as a good elementary brick in various PRNGs. It corresponds
538 to the following discrete dynamical system in chaotic iterations:
539
540 \begin{equation}
541 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
542 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
543 \begin{array}{ll}
544   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
545   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
546 \end{array}\right.
547 \label{eq:generalIC}
548 \end{equation}
549 where $f$ is the vectorial negation and $\forall n \in \mathds{N}$, 
550 $\mathcal{S}^n \subset \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$ is such that
551 $k \in \mathcal{S}^n$ if and only if the $k-$th digit in the binary
552 decomposition of $S^n$ is 1. Such chaotic iterations are more general
553 than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} for 
554 the fact that, instead of updating only one term at each iteration,
555 we select a subset of components to change.
556
557
558 Obviously, replacing Algorithm~\ref{CI Algorithm} by 
559 Equation~\ref{equation Oplus}, possible when the iteration function is
560 the vectorial negation, leads to a speed improvement. However, proofs
561 of chaos obtained in~\cite{bg10:ij} have been established
562 only for chaotic iterations of the form presented in Definition 
563 \ref{Def:chaotic iterations}. The question is now to determine whether the
564 use of more general chaotic iterations to generate pseudorandom numbers 
565 faster, does not deflate their topological chaos properties.
566
567 \subsection{Proofs of Chaos of the General Formulation of the Chaotic Iterations}
568 \label{deuxième def}
569 Let us consider the discrete dynamical systems in chaotic iterations having 
570 the general form:
571
572 \begin{equation}
573 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
574 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
575 \begin{array}{ll}
576   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
577   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
578 \end{array}\right.
579 \label{general CIs}
580 \end{equation}
581
582 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the cells whose id is
583 contained into the set $S^{n}$ are iterated.
584
585 Let us now rewrite these general chaotic iterations as usual discrete dynamical
586 system of the form $X^{n+1}=f(X^n)$ on an ad hoc metric space. Such a formulation
587 is required in order to study the topological behavior of the system.
588
589 Let us introduce the following function:
590 \begin{equation}
591 \begin{array}{cccc}
592  \chi: & \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket \times \mathcal{P}\left(\llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket\right) & \longrightarrow & \mathds{B}\\
593          & (i,X) & \longmapsto  & \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if }i \notin X, \\ 1 & \textrm{if }i \in X,  \end{array}\right.
594 \end{array} 
595 \end{equation}
596 where $\mathcal{P}\left(X\right)$ is for the powerset of the set $X$, that is, $Y \in \mathcal{P}\left(X\right) \Longleftrightarrow Y \subset X$.
597
598 Given a function $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, define the function:
599 \begin{equation}
600 \begin{array}{lrll}
601 F_{f}: & \mathcal{P}\left(\llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket \right) \times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
602 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
603 & (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+f(E)_{j}.\overline{\chi
604 (j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
605 \end{array}%
606 \end{equation}%
607 where + and . are the Boolean addition and product operations, and $\overline{x}$ 
608 is the negation of the Boolean $x$.
609 Consider the phase space:
610 \begin{equation}
611 \mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N} \times
612 \mathds{B}^\mathsf{N},
613 \end{equation}
614 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
615 \begin{equation}
616 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
617 \end{equation}
618 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
619 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
620 \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
621 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)$. 
622 Then the general chaotic iterations defined in Equation \ref{general CIs} can 
623 be described by the following discrete dynamical system:
624 \begin{equation}
625 \left\{
626 \begin{array}{l}
627 X^0 \in \mathcal{X} \\
628 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
629 \end{array}%
630 \right.
631 \end{equation}%
632
633 Another time, a shift function appears as a component of these general chaotic 
634 iterations. 
635
636 To study the Devaney's chaos property, a distance between two points 
637 $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})$ of $\mathcal{X}$ must be defined.
638 Let us introduce:
639 \begin{equation}
640 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
641 \label{nouveau d}
642 \end{equation}
643 \noindent where
644 \begin{equation}
645 \left\{
646 \begin{array}{lll}
647 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
648 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}\textrm{ is another time the Hamming distance}, \\
649 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
650 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
651 \end{array}%
652 \right.
653 \end{equation}
654 where $|X|$ is the cardinality of a set $X$ and $A\Delta B$ is for the symmetric difference, defined for sets A, B as
655 $A\,\Delta\,B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$.
656
657
658 \begin{proposition}
659 The function $d$ defined in Eq.~\ref{nouveau d} is a metric on $\mathcal{X}$.
660 \end{proposition}
661
662 \begin{proof}
663  $d_e$ is the Hamming distance. We will prove that $d_s$ is a distance
664 too, thus $d$ will be a distance as sum of two distances.
665  \begin{itemize}
666 \item Obviously, $d_s(S,\check{S})\geqslant 0$, and if $S=\check{S}$, then 
667 $d_s(S,\check{S})=0$. Conversely, if $d_s(S,\check{S})=0$, then 
668 $\forall k \in \mathds{N}, |S^k\Delta {S}^k|=0$, and so $\forall k, S^k=\check{S}^k$.
669  \item $d_s$ is symmetric 
670 ($d_s(S,\check{S})=d_s(\check{S},S)$) due to the commutative property
671 of the symmetric difference. 
672 \item Finally, $|S \Delta S''| = |(S \Delta \varnothing) \Delta S''|= |S \Delta (S'\Delta S') \Delta S''|= |(S \Delta S') \Delta (S' \Delta S'')|\leqslant |S \Delta S'| + |S' \Delta S''|$, 
673 and so for all subsets $S,S',$ and $S''$ of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$, 
674 we have $d_s(S,S'') \leqslant d_e(S,S')+d_s(S',S'')$, and the triangle
675 inequality is obtained.
676  \end{itemize}
677 \end{proof}
678
679
680 Before being able to study the topological behavior of the general 
681 chaotic iterations, we must firstly establish that:
682
683 \begin{proposition}
684  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
685 $\left( \mathcal{X},d\right)$.
686 \end{proposition}
687
688
689 \begin{proof}
690 We use the sequential continuity.
691 Let $(S^n,E^n)_{n\in \mathds{N}}$ be a sequence of the phase space $%
692 \mathcal{X}$, which converges to $(S,E)$. We will prove that $\left(
693 G_{f}(S^n,E^n)\right) _{n\in \mathds{N}}$ converges to $\left(
694 G_{f}(S,E)\right) $. Let us remark that for all $n$, $S^n$ is a strategy,
695 thus, we consider a sequence of strategies (\emph{i.e.}, a sequence of
696 sequences).\newline
697 As $d((S^n,E^n);(S,E))$ converges to 0, each distance $d_{e}(E^n,E)$ and $d_{s}(S^n,S)$ converges
698 to 0. But $d_{e}(E^n,E)$ is an integer, so $\exists n_{0}\in \mathds{N},$ $%
699 d_{e}(E^n,E)=0$ for any $n\geqslant n_{0}$.\newline
700 In other words, there exists a threshold $n_{0}\in \mathds{N}$ after which no
701 cell will change its state:
702 $\exists n_{0}\in \mathds{N},n\geqslant n_{0}\Rightarrow E^n = E.$
703
704 In addition, $d_{s}(S^n,S)\longrightarrow 0,$ so $\exists n_{1}\in %
705 \mathds{N},d_{s}(S^n,S)<10^{-1}$ for all indexes greater than or equal to $%
706 n_{1}$. This means that for $n\geqslant n_{1}$, all the $S^n$ have the same
707 first term, which is $S^0$: $\forall n\geqslant n_{1},S_0^n=S_0.$
708
709 Thus, after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term, states of $E^n$ and $E$ are
710 identical and strategies $S^n$ and $S$ start with the same first term.\newline
711 Consequently, states of $G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are equal,
712 so, after the $max(n_0, n_1)^{th}$ term, the distance $d$ between these two points is strictly less than 1.\newline
713 \noindent We now prove that the distance between $\left(
714 G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is convergent to
715 0. Let $\varepsilon >0$. \medskip
716 \begin{itemize}
717 \item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that distance
718 between $\left( G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is
719 strictly less than 1 after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term (same state).
720 \medskip
721 \item If $\varepsilon <1$, then $\exists k\in \mathds{N},10^{-k}\geqslant
722 \varepsilon > 10^{-(k+1)}$. But $d_{s}(S^n,S)$ converges to 0, so
723 \begin{equation*}
724 \exists n_{2}\in \mathds{N},\forall n\geqslant
725 n_{2},d_{s}(S^n,S)<10^{-(k+2)},
726 \end{equation*}%
727 thus after $n_{2}$, the $k+2$ first terms of $S^n$ and $S$ are equal.
728 \end{itemize}
729 \noindent As a consequence, the $k+1$ first entries of the strategies of $%
730 G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are the same ($G_{f}$ is a shift of strategies) and due to the definition of $d_{s}$, the floating part of
731 the distance between $(S^n,E^n)$ and $(S,E)$ is strictly less than $%
732 10^{-(k+1)}\leqslant \varepsilon $.\bigskip \newline
733 In conclusion,
734 $$
735 \forall \varepsilon >0,\exists N_{0}=max(n_{0},n_{1},n_{2})\in \mathds{N}%
736 ,\forall n\geqslant N_{0},
737  d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
738 \leqslant \varepsilon .
739 $$
740 $G_{f}$ is consequently continuous.
741 \end{proof}
742
743
744 It is now possible to study the topological behavior of the general chaotic
745 iterations. We will prove that,
746
747 \begin{theorem}
748 \label{t:chaos des general}
749  The general chaotic iterations defined on Equation~\ref{general CIs} satisfy
750 the Devaney's property of chaos.
751 \end{theorem}
752
753 Let us firstly prove the following lemma.
754
755 \begin{lemma}[Strong transitivity]
756 \label{strongTrans}
757  For all couples $X,Y \in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $X$, we can 
758 find $n \in \mathds{N}^*$ and $X' \in V$ such that $G^n(X')=Y$.
759 \end{lemma}
760
761 \begin{proof}
762  Let $X=(S,E)$, $\varepsilon>0$, and $k_0 = \lfloor log_{10}(\varepsilon)+1 \rfloor$. 
763 Any point $X'=(S',E')$ such that $E'=E$ and $\forall k \leqslant k_0, S'^k=S^k$, 
764 are in the open ball $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$. Let us define 
765 $\check{X} = \left(\check{S},\check{E}\right)$, where $\check{X}= G^{k_0}(X)$.
766 We denote by $s\subset \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket$ the set of coordinates
767 that are different between $\check{E}$ and the state of $Y$. Thus each point $X'$ of
768 the form $(S',E')$ where $E'=E$ and $S'$ starts with 
769 $(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,\hdots)$, verifies the following properties:
770 \begin{itemize}
771  \item $X'$ is in $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$,
772  \item the state of $G_f^{k_0+1}(X')$ is the state of $Y$.
773 \end{itemize}
774 Finally the point $\left(\left(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,s^0, s^1, \hdots\right); E\right)$, 
775 where $(s^0,s^1, \hdots)$ is the strategy of $Y$, satisfies the properties
776 claimed in the lemma.
777 \end{proof}
778
779 We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}...
780
781 \begin{proof}[Theorem~\ref{t:chaos des general}]
782 Firstly, strong transitivity implies transitivity.
783
784 Let $(S,E) \in\mathcal{X}$ and $\varepsilon >0$. To
785 prove that $G_f$ is regular, it is sufficient to prove that
786 there exists a strategy $\tilde S$ such that the distance between
787 $(\tilde S,E)$ and $(S,E)$ is less than $\varepsilon$, and such that
788 $(\tilde S,E)$ is a periodic point.
789
790 Let $t_1=\lfloor-\log_{10}(\varepsilon)\rfloor$, and let $E'$ be the
791 configuration that we obtain from $(S,E)$ after $t_1$ iterations of
792 $G_f$. As $G_f$ is strongly transitive, there exists a strategy $S'$ 
793 and $t_2\in\mathds{N}$ such
794 that $E$ is reached from $(S',E')$ after $t_2$ iterations of $G_f$.
795
796 Consider the strategy $\tilde S$ that alternates the first $t_1$ terms
797 of $S$ and the first $t_2$ terms of $S'$: $$\tilde
798 S=(S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots).$$ It
799 is clear that $(\tilde S,E)$ is obtained from $(\tilde S,E)$ after
800 $t_1+t_2$ iterations of $G_f$. So $(\tilde S,E)$ is a periodic
801 point. Since $\tilde S_t=S_t$ for $t<t_1$, by the choice of $t_1$, we
802 have $d((S,E),(\tilde S,E))<\epsilon$.
803 \end{proof}
804
805
806
807 \section{Efficient PRNG based on Chaotic Iterations}
808 \label{sec:efficient prng}
809
810 Based on the proof presented in the previous section, it is now possible to 
811 improve the speed of the generator formerly presented in~\cite{bgw09:ip,guyeux10}. 
812 The first idea is to consider
813 that the provided strategy is a pseudorandom Boolean vector obtained by a
814 given PRNG.
815 An iteration of the system is simply the bitwise exclusive or between
816 the last computed state and the current strategy.
817 Topological properties of disorder exhibited by chaotic 
818 iterations can be inherited by the inputted generator, hoping by doing so to 
819 obtain some statistical improvements while preserving speed.
820
821
822 Let us give an example using 16-bits numbers, to clearly understand how the bitwise xor operations
823 are
824 done.  
825 Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are given as
826 binary vectors.
827 Table~\ref{TableExemple} shows the result of $x \oplus S^i$.
828
829 \begin{table}
830 $$
831 \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
832 \hline
833 x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
834 \hline
835 S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
836 \hline
837 x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
838 \hline
839
840 \hline
841  \end{array}
842 $$
843 \caption{Example of an arbitrary round of the proposed generator}
844 \label{TableExemple}
845 \end{table}
846
847
848
849 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential PRNG based on chaotic iterations},label=algo:seqCIprng}
850 \begin{lstlisting}
851 unsigned int CIprng() {
852   static unsigned int x = 123123123;
853   unsigned long t1 = xorshift();
854   unsigned long t2 = xor128();
855   unsigned long t3 = xorwow();
856   x = x^(unsigned int)t1;
857   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
858   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
859   x = x^(unsigned int)t2;
860   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
861   x = x^(unsigned int)t3;
862   return x;
863 }
864 \end{lstlisting}
865
866
867
868
869
870 In Listing~\ref{algo:seqCIprng}  a sequential version of  the proposed PRNG based on chaotic iterations
871  is  presented.  The xor operator is  represented by \textasciicircum.
872 This  function uses  three classical  64-bits PRNGs, namely the  \texttt{xorshift}, the
873 \texttt{xor128},  and  the  \texttt{xorwow}~\cite{Marsaglia2003}.   In  the following,  we  call  them
874 ``xor-like PRNGs''. 
875 As
876 each xor-like PRNG  uses 64-bits whereas our proposed generator works with 32-bits,
877 we use the command \texttt{(unsigned int)}, that selects the 32 least significant bits of a given integer, and the code
878 \texttt{(unsigned int)(t3$>>$32)}  in order to obtain the 32 most significant  bits of \texttt{t}.   
879
880 So producing a  pseudorandom number needs  6 xor operations
881 with 6 32-bits  numbers that are provided by 3 64-bits PRNGs.   This version successfully passes the
882 stringent BigCrush battery of tests~\cite{LEcuyerS07}.
883
884 \section{Efficient PRNGs based on Chaotic Iterations on GPU}
885 \label{sec:efficient prng gpu}
886
887 In  order to take benefits  from the computing  power of  GPU, a  program needs  to have
888 independent blocks of threads that can be computed simultaneously. In general,
889 the larger the number of threads is,  the more local memory is used, and the less
890 branching  instructions are  used (if,  while, ...),  the better the performances on GPU is.  
891 Obviously, having these requirements in mind, it is possible to  build a program similar to 
892 the one presented in Algorithm  \ref{algo:seqCIprng}, which computes pseudorandom numbers
893 on   GPU.  
894 To do so, we must firstly recall that in
895  the   CUDA~\cite{Nvid10}  environment,   threads  have   a  local
896 identifier called \texttt{ThreadIdx}, which is relative to the block containing them.
897
898
899 \subsection{Naive Version for GPU}
900
901  
902 It is possible to deduce from the CPU version a quite similar version adapted to GPU.
903 The simple principle consists to make each thread of the GPU computing the CPU version of our PRNG.  
904 Of course,  the  three xor-like
905 PRNGs  used in these computations must have different  parameters. 
906 In a given thread, these lasts are
907 randomly picked from another PRNGs. 
908 The  initialization stage is performed by  the CPU.
909 To do it, the  ISAAC  PRNG~\cite{Jenkins96} is used to  set  all  the
910 parameters embedded into each thread.   
911
912 The implementation of  the three
913 xor-like  PRNGs  is  straightforward  when  their  parameters  have  been
914 allocated in  the GPU memory.  Each xor-like  works with  an internal
915 number  $x$  that saves  the  last  generated  pseudorandom number. Additionally,  the
916 implementation of the  xor128, the xorshift, and the  xorwow respectively require
917 4, 5, and 6 unsigned long as internal variables.
918
919 \begin{algorithm}
920
921 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
922 PRNGs in global memory\;
923 NumThreads: number of threads\;}
924 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
925 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
926   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
927   \For{i=1 to n} {
928     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIprng}\;
929     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
930   }
931   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
932 }
933
934 \caption{Main kernel of the GPU ``naive'' version of the PRNG based on chaotic iterations}
935 \label{algo:gpu_kernel}
936 \end{algorithm}
937
938 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of the proposed  PRNG on
939 GPU.  Due to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
940 used simultenaously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
941 inside   a    kernel   is   limited  (\emph{i.e.},    the    variable   \texttt{n}   in
942 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}). For instance, if  $100,000$ threads are used and
943 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)},
944 then   the  memory   required   to  store all of the  internals   variables  of both the  xor-like
945 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
946 and  the pseudorandom  numbers generated by  our  PRNG,  is  equal to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
947 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, that is, approximately $52$Mb.
948
949 This generator is able to pass the whole BigCrush battery of tests, for all
950 the versions that have been tested depending on their number of threads 
951 (called \texttt{NumThreads} in our algorithm, tested until $10$ millions).
952
953 \begin{remark}
954 The proposed algorithm has  the  advantage to  manipulate  independent
955 PRNGs, so this version is easily adaptable on a cluster of computers too. The only thing
956 to ensure is to use a single ISAAC PRNG. To achieve this requirement, a simple solution consists in
957 using a master node for the initialization. This master node computes the initial parameters
958 for all the differents nodes involves in the computation.
959 \end{remark}
960
961 \subsection{Improved Version for GPU}
962
963 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
964 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
965 i.e., using less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
966 one xor-like PRNG by thread, saving  it into shared memory and using the results
967 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
968 thread uses the result of which other  one, we can use a permutation array which
969 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a  permutation has  been
970 performed.  In Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}, 2 permutations arrays are used.
971 The    variable   \texttt{offset}    is    computed   using    the   value    of
972 \texttt{permutation\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
973 which represent the indexes of the  other threads for which the results are used
974 by the  current thread. In  the algorithm, we  consider that a  64-bits xor-like
975 PRNG is used, that is why both 32-bits parts are used.
976
977 This version also succeeds to the {\it BigCrush} batteries of tests.
978
979 \begin{algorithm}
980
981 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
982 in global memory\;
983 NumThreads: Number of threads\;
984 tab1, tab2: Arrays containing permutations of size permutation\_size\;}
985
986 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
987 \If{threadId is concerned} {
988   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables including shared memory and x\;
989   offset = threadIdx\%permutation\_size\;
990   o1 = threadIdx-offset+tab1[offset]\;
991   o2 = threadIdx-offset+tab2[offset]\;
992   \For{i=1 to n} {
993     t=xor-like()\;
994     t=t$\oplus$shmem[o1]$\oplus$shmem[o2]\;
995     shared\_mem[threadId]=t\;
996     x = x $\oplus$ t\;
997
998     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
999   }
1000   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
1001 }
1002
1003 \caption{main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
1004 version}
1005 \label{algo:gpu_kernel2}
1006 \end{algorithm}
1007
1008 \subsection{Theoretical Evaluation of the Improved Version}
1009
1010 A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists in three operations having 
1011 the form of Equation~\ref{equation Oplus}, which is equivalent to the iterative
1012 system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, three iterations of the general chaotic
1013 iterations are realized between two stored values of the PRNG.
1014 To be certain that we are in the framework of Theorem~\ref{t:chaos des general},
1015 we must guarantee that this dynamical system iterates on the space 
1016 $\mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\times\mathds{B}^\mathsf{N}$.
1017 The left term $x$ obviously belongs into $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
1018 To prevent from any flaws of chaotic properties, we must check that each right 
1019 term, corresponding to terms of the strategies,  can possibly be equal to any
1020 integer of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$. 
1021
1022 Such a result is obvious for the two first lines, as for the xor-like(), all the
1023 integers belonging into its interval of definition can occur at each iteration.
1024 It can be easily stated for the two last lines by an immediate mathematical
1025 induction.
1026
1027 Thus Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} is a concrete realization of the general
1028 chaotic iterations presented previously, and for this reason, it satisfies the 
1029 Devaney's formulation of a chaotic behavior.
1030
1031 \section{Experiments}
1032 \label{sec:experiments}
1033
1034 Different experiments  have been  performed in order  to measure  the generation
1035 speed. We have used  a computer equiped with Tesla C1060 NVidia  GPU card and an
1036 Intel  Xeon E5530 cadenced  at 2.40  GHz for  our experiments  and we  have used
1037 another one  equipped with  a less performant  CPU and  a GeForce GTX  280. Both
1038 cards have 240 cores.
1039
1040 In  Figure~\ref{fig:time_xorlike_gpu} we  compare the  number of  random numbers
1041 generated per second with the xor-like based PRNG. In this figure, the optimized
1042 version use the {\it xor64} described in~\cite{Marsaglia2003}. The naive version
1043 use  the three  xor-like  PRNGs described  in Listing~\ref{algo:seqCIprng}.   In
1044 order to obtain the optimal performance we removed the storage of random numbers
1045 in the GPU memory. This step is time consuming and slows down the random numbers
1046 generation.  Moreover, if one is  interested by applications that consume random
1047 numbers  directly   when  they  are  generated,  their   storage  are  completely
1048 useless. In this  figure we can see  that when the number of  threads is greater
1049 than approximately 30,000 upto 5 millions the number of random numbers generated
1050 per second  is almost constant.  With the  naive version, it is  between 2.5 and
1051 3GSample/s.   With  the  optimized   version,  it  is  approximately  equals  to
1052 20GSample/s. Finally  we can remark  that both GPU  cards are quite  similar. In
1053 practice,  the Tesla C1060  has more  memory than  the GTX  280 and  this memory
1054 should be of better quality.
1055
1056 \begin{figure}[htbp]
1057 \begin{center}
1058   \includegraphics[scale=.7]{curve_time_xorlike_gpu.pdf}
1059 \end{center}
1060 \caption{Number of random numbers generated per second with the xorlike based PRNG}
1061 \label{fig:time_xorlike_gpu}
1062 \end{figure}
1063
1064
1065 In  comparison,   Listing~\ref{algo:seqCIprng}  allows  us   to  generate  about
1066 138MSample/s with only one core of the Xeon E5530.
1067
1068
1069 In Figure~\ref{fig:time_bbs_gpu}  we highlight the performance  of the optimized
1070 BBS based  PRNG on GPU. Performances are  less important. On the  Tesla C1060 we
1071 obtain approximately 1.8GSample/s and on the GTX 280 about 1.6GSample/s.
1072
1073 \begin{figure}[htbp]
1074 \begin{center}
1075   \includegraphics[scale=.7]{curve_time_bbs_gpu.pdf}
1076 \end{center}
1077 \caption{Number of random numbers generated per second with the BBS based PRNG}
1078 \label{fig:time_bbs_gpu}
1079 \end{figure}
1080
1081 Both  these  experiments allows  us  to conclude  that  it  is possible  to
1082 generate a  huge number of pseudorandom  numbers with the  xor-like version and
1083 about tens  times less with the BBS  based version. The former  version has only
1084 chaotic properties whereas the latter also has cryptographically properties.
1085
1086
1087
1088
1089
1090
1091
1092 \section{Security Analysis}
1093 \label{sec:security analysis}
1094
1095
1096
1097 In this section the concatenation of two strings $u$ and $v$ is classically
1098 denoted by $uv$.
1099 In a cryptographic context, a pseudorandom generator is a deterministic
1100 algorithm $G$ transforming strings  into strings and such that, for any
1101 seed $w$ of length $N$, $G(w)$ (the output of $G$ on the input $w$) has size
1102 $\ell_G(N)$ with $\ell_G(N)>N$.
1103 The notion of {\it secure} PRNGs can now be defined as follows. 
1104
1105 \begin{definition}
1106 A cryptographic PRNG $G$ is secure if for any probabilistic polynomial time
1107 algorithm $D$, for any positive polynomial $p$, and for all sufficiently
1108 large $k$'s,
1109 $$| \mathrm{Pr}[D(G(U_k))=1]-Pr[D(U_{\ell_G(k)}=1]|< \frac{1}{p(N)},$$
1110 where $U_r$ is the uniform distribution over $\{0,1\}^r$ and the
1111 probabilities are taken over $U_N$, $U_{\ell_G(N)}$ as well as over the
1112 internal coin tosses of $D$. 
1113 \end{definition}
1114
1115 Intuitively, it means that there is no polynomial time algorithm that can
1116 distinguish a perfect uniform random generator from $G$ with a non
1117 negligible probability. The interested reader is referred
1118 to~\cite[chapter~3]{Goldreich} for more information. Note that it is
1119 quite easily possible to change the function $\ell$ into any polynomial
1120 function $\ell^\prime$ satisfying $\ell^\prime(N)>N)$~\cite[Chapter 3.3]{Goldreich}.
1121
1122 The generation schema developed in (\ref{equation Oplus}) is based on a
1123 pseudorandom generator. Let $H$ be a cryptographic PRNG. We may assume,
1124 without loss of generality, that for any string $S_0$ of size $N$, the size
1125 of $H(S_0)$ is $kN$, with $k>2$. It means that $\ell_H(N)=kN$. 
1126 Let $S_1,\ldots,S_k$ be the 
1127 strings of length $N$ such that $H(S_0)=S_1 \ldots S_k$ ($H(S_0)$ is the concatenation of
1128 the $S_i$'s). The cryptographic PRNG $X$ defined in (\ref{equation Oplus})
1129 is the algorithm mapping any string of length $2N$ $x_0S_0$ into the string
1130 $(x_0\oplus S_0 \oplus S_1)(x_0\oplus S_0 \oplus S_1\oplus S_2)\ldots
1131 (x_o\bigoplus_{i=0}^{i=k}S_i)$. Particularly one has $\ell_{X}(2N)=kN=\ell_H(N)$. 
1132 We claim now that if this PRNG is secure,
1133 then the new one is secure too.
1134
1135 \begin{proposition}
1136 If $H$ is a secure cryptographic PRNG, then $X$ is a secure cryptographic
1137 PRNG too.
1138 \end{proposition}
1139
1140 \begin{proof}
1141 The proposition is proved by contraposition. Assume that $X$ is not
1142 secure. By Definition, there exists a polynomial time probabilistic
1143 algorithm $D$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1144 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1145 $$| \mathrm{Pr}[D(X(U_{2N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)}.$$
1146 We describe a new probabilistic algorithm $D^\prime$ on an input $w$ of size
1147 $kN$:
1148 \begin{enumerate}
1149 \item Decompose $w$ into $w=w_1\ldots w_{k}$, where each $w_i$ has size $N$.
1150 \item Pick a string $y$ of size $N$ uniformly at random.
1151 \item Compute $z=(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1152   \bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i).$
1153 \item Return $D(z)$.
1154 \end{enumerate}
1155
1156
1157 Consider  for each $y\in \mathbb{B}^{kN}$ the function $\varphi_{y}$
1158 from $\mathbb{B}^{kN}$ into $\mathbb{B}^{kN}$ mapping $w=w_1\ldots w_k$
1159 (each $w_i$ has length $N$) to 
1160 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y
1161   \bigoplus_{i=1}^{i=k_1} w_i).$ By construction, one has for every $w$,
1162 \begin{equation}\label{PCH-1}
1163 D^\prime(w)=D(\varphi_y(w)),
1164 \end{equation}
1165 where $y$ is randomly generated. 
1166 Moreover, for each $y$, $\varphi_{y}$ is injective: if 
1167 $(y\oplus w_1)(y\oplus w_1\oplus w_2)\ldots (y\bigoplus_{i=1}^{i=k_1}
1168 w_i)=(y\oplus w_1^\prime)(y\oplus w_1^\prime\oplus w_2^\prime)\ldots
1169 (y\bigoplus_{i=1}^{i=k} w_i^\prime)$, then for every $1\leq j\leq k$,
1170 $y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i^\prime=y\bigoplus_{i=1}^{i=j} w_i$. It follows,
1171 by a direct induction, that $w_i=w_i^\prime$. Furthermore, since $\mathbb{B}^{kN}$
1172 is finite, each $\varphi_y$ is bijective. Therefore, and using (\ref{PCH-1}),
1173 one has
1174 \begin{equation}\label{PCH-2}
1175 \mathrm{Pr}[D^\prime(U_{kN})=1]=\mathrm{Pr}[D(\varphi_y(U_{kN}))=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{kN})=1].
1176 \end{equation}
1177
1178 Now, using (\ref{PCH-1}) again, one has  for every $x$,
1179 \begin{equation}\label{PCH-3}
1180 D^\prime(H(x))=D(\varphi_y(H(x))),
1181 \end{equation}
1182 where $y$ is randomly generated. By construction, $\varphi_y(H(x))=X(yx)$,
1183 thus
1184 \begin{equation}\label{PCH-3}
1185 D^\prime(H(x))=D(yx),
1186 \end{equation}
1187 where $y$ is randomly generated. 
1188 It follows that 
1189
1190 \begin{equation}\label{PCH-4}
1191 \mathrm{Pr}[D^\prime(H(U_{N}))=1]=\mathrm{Pr}[D(U_{2N})=1].
1192 \end{equation}
1193  From (\ref{PCH-2}) and (\ref{PCH-4}), one can deduce that
1194 there exist a polynomial time probabilistic
1195 algorithm $D^\prime$, a positive polynomial $p$, such that for all $k_0$ there exists
1196 $N\geq \frac{k_0}{2}$ satisfying 
1197 $$| \mathrm{Pr}[D(H(U_{N}))=1]-\mathrm{Pr}[D(U_{kN}=1]|\geq \frac{1}{p(2N)},$$
1198 proving that $H$ is not secure, a contradiction. 
1199 \end{proof}
1200
1201
1202
1203
1204 \section{A Cryptographically Secure PRNG for GPU}
1205 \label{sec:CSGPU}
1206 It is  possible to build a  cryptographically secure prng based  on the previous
1207 algorithm (algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}).   It simply consists  in replacing
1208 the  {\it  xor-like} algorithm  by  another  cryptographically  secure prng.  In
1209 practice, we suggest  to use the BBS algorithm~\cite{BBS}  which takes the form:
1210 $$x_{n+1}=x_n^2~ mod~ M$$  where $M$ is the product of  two prime numbers. Those
1211 prime numbers  need to be congruent  to 3 modulus  4. In practice, this  PRNG is
1212 known to  be slow and  not efficient for  the generation of random  numbers. For
1213 current  GPU   cards,  the  modulus   operation  is  the  most   time  consuming
1214 operation. So in  order to obtain quite reasonable  performances, it is required
1215 to use only modulus on 32  bits integer numbers. Consequently $x_n^2$ need to be
1216 less than  $2^{32}$ and the  number $M$  need to be  less than $2^{16}$.   So in
1217 pratice we can  choose prime numbers around 256 that are  congruent to 3 modulus
1218 4.  With  32 bits numbers,  only the  4 least significant  bits of $x_n$  can be
1219 chosen  (the   maximum  number  of   undistinguishing  is  less  or   equals  to
1220 $log_2(log_2(x_n))$). So  to generate a 32 bits  number, we need to  use 8 times
1221 the BBS algorithm, with different combinations of $M$ is required.
1222
1223 Currently this PRNG does not succeed to pass all the tests of TestU01.
1224
1225
1226 \section{Conclusion}
1227
1228
1229 In  this  paper  we have  presented  a  new  class  of  PRNGs based  on  chaotic
1230 iterations. We have proven that these PRNGs are chaotic in the sense of Devenay.
1231 We also propose a PRNG cryptographically secure and its implementation on GPU.
1232
1233 An  efficient implementation  on  GPU based  on  a xor-like  PRNG  allows us  to
1234 generate   a  huge   number   of  pseudorandom   numbers   per  second   (about
1235 20Gsample/s). This PRNG succeeds to pass the hardest batteries of TestU01.
1236
1237 In future  work we plan to  extend this work  for parallel PRNG for  clusters or
1238 grid computing. We also plan to improve  the BBS version in order to succeed all
1239 the tests of TestU01.
1240
1241
1242
1243 \bibliographystyle{plain} 
1244 \bibliography{mabase}
1245 \end{document}