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Private GIT Repository
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[prng_gpu.git] / prng_gpu.tex
1 \documentclass{article}
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4 \usepackage{fullpage}
5 \usepackage{fancybox}
6 \usepackage{amsmath}
7 \usepackage{amscd}
8 \usepackage{moreverb}
9 \usepackage{commath}
10 \usepackage[standard]{ntheorem}
11
12 % Pour mathds : les ensembles IR, IN, etc.
13 \usepackage{dsfont}
14
15 % Pour avoir des intervalles d'entiers
16 \usepackage{stmaryrd}
17
18 \usepackage{graphicx}
19 % Pour faire des sous-figures dans les figures
20 \usepackage{subfigure}
21
22 \usepackage{color}
23
24 \newtheorem{notation}{Notation}
25
26 \newcommand{\X}{\mathcal{X}}
27 \newcommand{\Go}{G_{f_0}}
28 \newcommand{\B}{\mathds{B}}
29 \newcommand{\N}{\mathds{N}}
30 \newcommand{\BN}{\mathds{B}^\mathsf{N}}
31 \let\sur=\overline
32
33 \newcommand{\alert}[1]{\begin{color}{blue}\textit{#1}\end{color}}
34
35 \title{Efficient generation of pseudo random numbers based on chaotic iterations on GPU}
36 \begin{document}
37 \maketitle
38
39 \begin{abstract}
40 This is the abstract
41 \end{abstract}
42
43 \section{Introduction}
44
45 Interet des itérations chaotiques pour générer des nombre alea\\
46 Interet de générer des nombres alea sur GPU
47 ...
48
49 \section{Chaotic iterations}
50
51 Présentation des itérations chaotiques
52
53 \section{blabla}
54
55 \subsection{The phase space is an interval of the real line}
56
57 \subsubsection{Toward a topological semiconjugacy}
58
59 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. 
60
61 Let $\mathcal{S}_\mathsf{N}$ be the set of sequences belonging into $\llbracket 1; \mathsf{N}\rrbracket$ and $\mathcal{X}_{\mathsf{N}} = \mathcal{S}_\mathsf{N} \times \B^\mathsf{N}$.
62
63
64 \begin{definition}
65 The function $\varphi: \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10} \rightarrow \big[ 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
66 $$
67 \begin{array}{cccl}
68 \varphi: & \mathcal{X}_{10} = \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}& \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
69  & (S,E) = \left((S^0, S^1, \hdots ); (E_0, \hdots, E_9)\right) & \longmapsto & \varphi \left((S,E)\right)
70 \end{array}
71 $$
72 \noindent where $\varphi\left((S,E)\right)$ is the real number:
73 \begin{itemize}
74 \item whose integral part $e$ is $\displaystyle{\sum_{k=0}^9 2^{9-k} E_k}$, that is, the binary digits of $e$ are $E_0 ~ E_1 ~ \hdots ~ E_9$.
75 \item whose decimal part $s$ is equal to $s = 0,S^0~ S^1~ S^2~ \hdots = \sum_{k=1}^{+\infty} 10^{-k} S^{k-1}.$ 
76 \end{itemize}
77 \end{definition}
78
79
80
81 $\varphi$ 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:
82
83
84 \begin{definition}
85 \label{def:e et s}
86 Let $x \in \big[ 0, 2^{10} \big[$ and:
87 \begin{itemize}
88 \item $e_0, \hdots, e_9$ the binary digits of the integral part of $x$: $\displaystyle{\lfloor x \rfloor = \sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k}$.
89 \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: 
90 $\displaystyle{x = \lfloor x \rfloor + \sum_{k=0}^{+\infty} s^k 10^{-k-1}}$.
91 \end{itemize}
92 $e$ and $s$ are thus defined as follows:
93 $$
94 \begin{array}{cccl}
95 e: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \mathds{B}^{10} \\
96  & x & \longmapsto & (e_0, \hdots, e_9)
97 \end{array}
98 $$
99 \noindent and
100 $$
101 \begin{array}{cccl}
102 s: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \llbracket 0, 9 \rrbracket^{\mathds{N}} \\
103  & x & \longmapsto & (s^k)_{k \in \mathds{N}}
104 \end{array}
105 $$
106 \end{definition}
107
108 We are now able to define the function $g$, whose goal is to translate the chaotic iterations $\Go$ on an interval of $\mathds{R}$.
109
110 \begin{definition}
111 $g:\big[ 0, 2^{10} \big[ \longrightarrow \big[ 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
112 $$
113 \begin{array}{cccl}
114 g: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
115 & \\
116  & x & \longmapsto & g(x)
117 \end{array}
118 $$
119 \noindent where g(x) is the real number of $\big[ 0, 2^{10} \big[$ defined bellow:
120 \begin{itemize}
121 \item its integral part has a binary decomposition equal to $e_0', \hdots, e_9'$, with:
122 $$
123 e_i' = \left\{
124 \begin{array}{ll}
125 e(x)_i & \textrm{ if } i \neq s^0\\
126 e(x)_i + 1 \textrm{ (mod 2)} & \textrm{ if } i = s^0\\
127 \end{array}
128 \right.
129 $$
130 \item whose decimal part is $s(x)^1, s(x)^2, \hdots$
131 \end{itemize}
132 \end{definition}
133
134 \bigskip
135
136
137 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: $$g(x) = \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} (e_k + \delta(k,s^0) \textrm{ (mod 2)}) +  \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k+1} 10^{-k-1}}.$$
138
139 \subsubsection{Defining a metric on $\big[ 0, 2^{10} \big[$}
140
141 Numerous metrics can be defined on the set $\big[ 0, 2^{10} \big[$, the most usual one being the Euclidian distance recalled bellow:
142
143 \begin{notation}
144 \index{distance!euclidienne}
145 $\Delta$ is the Euclidian distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$, that is, $\Delta(x,y) = |y-x|^2$.
146 \end{notation}
147
148 \medskip
149
150 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:
151
152
153
154 \begin{definition}
155 Let $x,y \in \big[ 0, 2^{10} \big[$.
156 $D$ 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:
157 \begin{center}
158 $\displaystyle{D_e(E,\check{E}) = \sum_{k=0}^\mathsf{9} \delta (E_k, \check{E}_k)}$, ~~and~ $\displaystyle{D_s(S,\check{S}) = \sum_{k = 1}^\infty \dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^k}}$.
159 \end{center}
160 \end{definition}
161
162 \begin{proposition}
163 $D$ is a distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$.
164 \end{proposition}
165
166 \begin{proof}
167 The three axioms defining a distance must be checked.
168 \begin{itemize}
169 \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 $x=y$.
170 \item $D(x,y)=D(y,x)$.
171 \item Finally, the triangular inequality is obtained due to the fact that both $\delta$ and $\Delta(x,y)=|x-y|$ satisfy it.
172 \end{itemize}
173 \end{proof}
174
175
176 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''.
177 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.
178
179
180 \begin{figure}[t]
181 \begin{center}
182   \subfigure[Function $x \to dist(x;1,234) $ on the interval $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien.pdf}}\quad
183   \subfigure[Function $x \to dist(x;3) $ on the interval $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien2.pdf}}
184 \end{center}
185 \caption{Comparison between $D$ (in blue) and the Euclidian distane (in green).}
186 \label{fig:comparaison de distances}
187 \end{figure}
188
189
190
191
192 \subsubsection{The semiconjugacy}
193
194 It is now possible to define a topological semiconjugacy between $\mathcal{X}$ and an interval of $\mathds{R}$:
195
196 \begin{theorem}
197 Chaotic iterations on the phase space $\mathcal{X}$ are simple iterations on $\mathds{R}$, which is illustrated by the semiconjugacy of the diagram bellow:
198 \begin{equation*}
199 \begin{CD}
200 \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right) @>G_{f_0}>> \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right)\\
201     @V{\varphi}VV                    @VV{\varphi}V\\
202 \left( ~\big[ 0, 2^{10} \big[, D~\right)  @>>g> \left(~\big[ 0, 2^{10} \big[, D~\right)
203 \end{CD}
204 \end{equation*}
205 \end{theorem}
206
207 \begin{proof}
208 $\varphi$ has been constructed in order to be continuous and onto.
209 \end{proof}
210
211 In other words, $\mathcal{X}$ is approximately equal to $\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[$.
212
213
214
215
216
217
218 \subsection{Study of the chaotic iterations described as a real function}
219
220
221 \begin{figure}[t]
222 \begin{center}
223   \subfigure[ICs on the interval $(0,9;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs09a1.pdf}}\quad
224   \subfigure[ICs on the interval $(0,7;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs07a95.pdf}}\\
225   \subfigure[ICs on the interval $(0,5;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs05a1.pdf}}\quad
226   \subfigure[ICs on the interval $(0;1)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs0a1.pdf}}
227 \end{center}
228 \caption{Representation of the chaotic iterations.}
229 \label{fig:ICs}
230 \end{figure}
231
232
233
234
235 \begin{figure}[t]
236 \begin{center}
237   \subfigure[ICs on the interval $(510;514)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs510a514.pdf}}\quad
238   \subfigure[ICs on the interval $(1000;1008)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs1000a1008.pdf}}
239 \end{center}
240 \caption{ICs on small intervals.}
241 \label{fig:ICs2}
242 \end{figure}
243
244 \begin{figure}[t]
245 \begin{center}
246   \subfigure[ICs on the interval $(0;16)$.]{\includegraphics[scale=.3]{ICs0a16.pdf}}\quad
247   \subfigure[ICs on the interval  $(40;70)$.]{\includegraphics[scale=.45]{ICs40a70.pdf}}\quad
248 \end{center}
249 \caption{General aspect of the chaotic iterations.}
250 \label{fig:ICs3}
251 \end{figure}
252
253
254 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 \alert{affine par morceaux}: it is linear on each interval having the form $\left[ \dfrac{n}{10}, \dfrac{n+1}{10}\right[$, $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$ \alert{and its line has a pent equal to 10}. Let us justify these claims:
255
256 \begin{proposition}
257 \label{Prop:derivabilite des ICs}
258 Chaotic iterations $g$ defined on $\mathds{R}$ are \alert{infiniment dérivables} on $\big[ 0, 2^{10} \big[$, except on the 10241 points in $I$ defined by $\left\{ \dfrac{n}{10} ~\big/~ n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10\rrbracket \right\}$.
259
260 Furthermore, on each interval of the form $\left[ \dfrac{n}{10}, \dfrac{n+1}{10}\right[$, with $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$, the function $g$ is \emph{affine}. \alert{It is a line of pent equal to 10}: $\forall x \notin I, g'(x)=10$.
261 \end{proposition}
262
263
264 \begin{proof}
265 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 $x$:
266 \begin{itemize}
267 \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 $e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}$).
268 \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 $10\times y - s^0$.
269 \end{itemize}
270 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 $\dfrac{1}{10}\left(e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}\right)-s^0$.
271 \end{proof}
272
273 \begin{remark}
274 Finally, chaotic iterations are elements of the large family of functions that are \alert{chaotiques linéaires par morceaux}, like the tent map, the \alert{doublement de l'angle}, \emph{etc.}
275 \end{remark}
276
277
278
279 \subsection{Comparison of the two metrics on $\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[$}
280
281 The two propositions bellow allow to compare our two distances on $\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[$:
282
283 \begin{proposition}
284 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,\Delta~\right) \to \left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[, D~\right)$ is not continuous. 
285 \end{proposition}
286
287 \begin{proof}
288 The sequence $x^n = 1,999\hdots 999$ constituted by $n$ 9 as decimal part, is such that:
289 \begin{itemize}
290 \item $\Delta (x^n,2) \to 0.$
291 \item But $D(x^n,2) \geqslant 1$, then $D(x^n,2)$ does not converge to 0.
292 \end{itemize}
293
294 The sequential characterization of the continuity concludes the demonstration.
295 \end{proof}
296
297
298
299 A contrario:
300
301 \begin{proposition}
302 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,D~\right) \to \left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[, \Delta ~\right)$ is a continuous fonction. 
303 \end{proposition}
304
305 \begin{proof}
306 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 $x$. 
307
308 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.
309 \end{proof}
310
311 The conclusion of these propositions is that the proposed metric is more \alert{précise} than the Euclidian distance, that is:
312
313 \begin{corollary}
314 $D$ is finer than the Euclidian distance $\Delta$.
315 \end{corollary}
316
317 This corollary can be reformulated as follows:
318
319 \begin{itemize}
320 \item The topology produced by $\Delta$ is a subset of the topology produced by $D$.
321 \item $D$ has more open sets than $\Delta$.
322 \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 $\tau_\Delta$.
323 \end{itemize}
324
325
326 \subsection{Chaos of the chaotic iterations on $\mathds{R}$}
327 \label{chpt:Chaos des itérations chaotiques sur R}
328
329
330
331 \subsubsection{Chaos according to Devaney}
332
333 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 \alert{topology of order}, because:
334 \begin{itemize}
335 \item $\left(\Go, \mathcal{X}_d\right)$ and $\left(g, \big[ 0, 2^{10} \big[_D\right)$ are semiconjugate by $\varphi$,
336 \item Then $\left(g, \big[ 0, 2^{10} \big[_D\right)$ is a system chaotic according to Devaney, because the semiconjugacy preserve this character.
337 \item But the topology generated by $D$ is finer than the topology generated by the Euclidian distance $\Delta$ -- which is the \alert{topology of order}.
338 \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 \alert{topology of order} on $\mathds{R}$.
339 \end{itemize}
340
341 This result can be formulated as follows.
342
343 \begin{theorem}
344 \label{th:IC et topologie de l'ordre}
345 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 \alert{topology of order}.
346 \end{theorem}
347
348 Indeed this result is \alert{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.
349  
350
351
352
353 \section{Efficient prng based on chaotic iterations}
354
355 On parle du séquentiel avec des nombres 64 bits\\
356
357 Faire le lien avec le paragraphe précédent (je considère que la stratégie s'appelle $S^i$\\
358
359 In  order to  implement efficiently  a PRNG  based on  chaotic iterations  it is
360 possible to improve  previous works [ref]. One solution  consists in considering
361 that the  strategy used $S^i$  contains all the  bits for which the  negation is
362 achieved out. Then instead of applying  the negation on these bits we can simply
363 apply the  xor operator between  the current number  and the strategy  $S^i$. In
364 order to obtain the strategy we also use a classical PRNG.
365
366 \begin{figure}[htbp]
367 \begin{center}
368 \fbox{
369 \begin{minipage}{14cm}
370 unsigned int CIprng() \{\\
371   static unsigned int x = 123123123;\\
372   unsigned long t1 = xorshift();\\
373   unsigned long t2 = xor128();\\
374   unsigned long t3 = xorwow();\\
375   x = x\textasciicircum (unsigned int)t1;\\
376   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t2$>>$32);\\
377   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t3$>>$32);\\
378   x = x\textasciicircum (unsigned int)t2;\\
379   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t1$>>$32);\\
380   x = x\textasciicircum (unsigned int)t3;\\
381   return x;\\
382 \}
383 \end{minipage}
384 }
385 \end{center}
386 \caption{sequential Chaotic Iteration PRNG}
387 \label{algo:seqCIprng}
388 \end{figure}
389
390 In Figure~\ref{algo:seqCIprng}  a sequential  version of our  chaotic iterations
391 based PRNG  is presented.  This version  uses three classical 64  bits PRNG: the
392 \texttt{xorshift},  the \texttt{xor128}  and the  \texttt{xorwow}.   These three
393 PRNGs  are presented  in~\cite{Marsaglia2003}.   As each  PRNG  used works  with
394 64-bits and as  our PRNG works with 32 bits, the  use of \texttt{(unsigned int)}
395 selects the 32 least  significant bits whereas \texttt{(unsigned int)(t3$>>$32)}
396 selects the 32  most significants bits of the  variable \texttt{t}. This version
397 sucesses   the   BigCrush   of    the   TestU01   battery   [P.   L’ecuyer   and
398   R. Simard. Testu01].
399
400 \section{Efficient prng based on chaotic iterations on GPU}
401
402 On parle du passage du sequentiel au GPU
403
404 \section{Experiments}
405
406 On passe le BigCrush\\
407 On donne des temps de générations sur GPU/CPU\\
408 On donne des temps de générations de nombre sur GPU puis on rappatrie sur CPU / CPU ? bof bof, on verra
409
410
411 \section{Conclusion}
412 \bibliographystyle{plain}
413 \bibliography{mabase}
414 \end{document}