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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}
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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
54
55
56 \section{The relativity of disorder}
57 \label{sec:de la relativité du désordre}
58
59 \subsection{Impact of the topology's finenesse}
60
61 Let us firstly introduce the following notations.
62
63 \begin{notation}
64 $\mathcal{X}_\tau$ 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).
65 \end{notation}
66
67
68
69 \section{Chaos on the order topology}
70
71 \subsection{The phase space is an interval of the real line}
72
73 \subsubsection{Toward a topological semiconjugacy}
74
75 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. 
76
77 Let $\mathcal{S}_\mathsf{N}$ be the set of sequences belonging into $\llbracket 1; \mathsf{N}\rrbracket$ and $\mathcal{X}_{\mathsf{N}} = \mathcal{S}_\mathsf{N} \times \B^\mathsf{N}$.
78
79
80 \begin{definition}
81 The function $\varphi: \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10} \rightarrow \big[ 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
82 $$
83 \begin{array}{cccl}
84 \varphi: & \mathcal{X}_{10} = \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}& \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
85  & (S,E) = \left((S^0, S^1, \hdots ); (E_0, \hdots, E_9)\right) & \longmapsto & \varphi \left((S,E)\right)
86 \end{array}
87 $$
88 \noindent where $\varphi\left((S,E)\right)$ is the real number:
89 \begin{itemize}
90 \item whose integral part $e$ is $\displaystyle{\sum_{k=0}^9 2^{9-k} E_k}$, that is, the binary digits of $e$ are $E_0 ~ E_1 ~ \hdots ~ E_9$.
91 \item whose decimal part $s$ is equal to $s = 0,S^0~ S^1~ S^2~ \hdots = \sum_{k=1}^{+\infty} 10^{-k} S^{k-1}.$ 
92 \end{itemize}
93 \end{definition}
94
95
96
97 $\varphi$ 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:
98
99
100 \begin{definition}
101 \label{def:e et s}
102 Let $x \in \big[ 0, 2^{10} \big[$ and:
103 \begin{itemize}
104 \item $e_0, \hdots, e_9$ the binary digits of the integral part of $x$: $\displaystyle{\lfloor x \rfloor = \sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k}$.
105 \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: 
106 $\displaystyle{x = \lfloor x \rfloor + \sum_{k=0}^{+\infty} s^k 10^{-k-1}}$.
107 \end{itemize}
108 $e$ and $s$ are thus defined as follows:
109 $$
110 \begin{array}{cccl}
111 e: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \mathds{B}^{10} \\
112  & x & \longmapsto & (e_0, \hdots, e_9)
113 \end{array}
114 $$
115 \noindent and
116 $$
117 \begin{array}{cccl}
118 s: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \llbracket 0, 9 \rrbracket^{\mathds{N}} \\
119  & x & \longmapsto & (s^k)_{k \in \mathds{N}}
120 \end{array}
121 $$
122 \end{definition}
123
124 We are now able to define the function $g$, whose goal is to translate the chaotic iterations $\Go$ on an interval of $\mathds{R}$.
125
126 \begin{definition}
127 $g:\big[ 0, 2^{10} \big[ \longrightarrow \big[ 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
128 $$
129 \begin{array}{cccl}
130 g: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
131 & \\
132  & x & \longmapsto & g(x)
133 \end{array}
134 $$
135 \noindent where g(x) is the real number of $\big[ 0, 2^{10} \big[$ defined bellow:
136 \begin{itemize}
137 \item its integral part has a binary decomposition equal to $e_0', \hdots, e_9'$, with:
138 $$
139 e_i' = \left\{
140 \begin{array}{ll}
141 e(x)_i & \textrm{ if } i \neq s^0\\
142 e(x)_i + 1 \textrm{ (mod 2)} & \textrm{ if } i = s^0\\
143 \end{array}
144 \right.
145 $$
146 \item whose decimal part is $s(x)^1, s(x)^2, \hdots$
147 \end{itemize}
148 \end{definition}
149
150 \bigskip
151
152
153 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: $$g(x) = \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} (e_k + \delta(k,s^0) \textrm{ (mod 2)}) +  \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k+1} 10^{-k-1}}.$$
154
155 \subsubsection{Defining a metric on $\big[ 0, 2^{10} \big[$}
156
157 Numerous metrics can be defined on the set $\big[ 0, 2^{10} \big[$, the most usual one being the Euclidian distance recalled bellow:
158
159 \begin{notation}
160 \index{distance!euclidienne}
161 $\Delta$ is the Euclidian distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$, that is, $\Delta(x,y) = |y-x|^2$.
162 \end{notation}
163
164 \medskip
165
166 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:
167
168
169
170 \begin{definition}
171 Let $x,y \in \big[ 0, 2^{10} \big[$.
172 $D$ 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:
173 \begin{center}
174 $\displaystyle{D_e(E,\check{E}) = \sum_{k=0}^\mathsf{9} \delta (E_k, \check{E}_k)}$, ~~and~ $\displaystyle{D_s(S,\check{S}) = \sum_{k = 1}^\infty \dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^k}}$.
175 \end{center}
176 \end{definition}
177
178 \begin{proposition}
179 $D$ is a distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$.
180 \end{proposition}
181
182 \begin{proof}
183 The three axioms defining a distance must be checked.
184 \begin{itemize}
185 \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 $x=y$.
186 \item $D(x,y)=D(y,x)$.
187 \item Finally, the triangular inequality is obtained due to the fact that both $\delta$ and $\Delta(x,y)=|x-y|$ satisfy it.
188 \end{itemize}
189 \end{proof}
190
191
192 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''.
193 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.
194
195
196 \begin{figure}[t]
197 \begin{center}
198   \subfigure[Function $x \to dist(x;1,234) $ on the interval $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien.pdf}}\quad
199   \subfigure[Function $x \to dist(x;3) $ on the interval $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien2.pdf}}
200 \end{center}
201 \caption{Comparison between $D$ (in blue) and the Euclidian distane (in green).}
202 \label{fig:comparaison de distances}
203 \end{figure}
204
205
206
207
208 \subsubsection{The semiconjugacy}
209
210 It is now possible to define a topological semiconjugacy between $\mathcal{X}$ and an interval of $\mathds{R}$:
211
212 \begin{theorem}
213 Chaotic iterations on the phase space $\mathcal{X}$ are simple iterations on $\mathds{R}$, which is illustrated by the semiconjugacy of the diagram bellow:
214 \begin{equation*}
215 \begin{CD}
216 \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right) @>G_{f_0}>> \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right)\\
217     @V{\varphi}VV                    @VV{\varphi}V\\
218 \left( ~\big[ 0, 2^{10} \big[, D~\right)  @>>g> \left(~\big[ 0, 2^{10} \big[, D~\right)
219 \end{CD}
220 \end{equation*}
221 \end{theorem}
222
223 \begin{proof}
224 $\varphi$ has been constructed in order to be continuous and onto.
225 \end{proof}
226
227 In other words, $\mathcal{X}$ is approximately equal to $\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[$.
228
229
230
231
232
233
234 \subsection{Study of the chaotic iterations described as a real function}
235
236
237 \begin{figure}[t]
238 \begin{center}
239   \subfigure[ICs on the interval $(0,9;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs09a1.pdf}}\quad
240   \subfigure[ICs on the interval $(0,7;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs07a95.pdf}}\\
241   \subfigure[ICs on the interval $(0,5;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs05a1.pdf}}\quad
242   \subfigure[ICs on the interval $(0;1)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs0a1.pdf}}
243 \end{center}
244 \caption{Representation of the chaotic iterations.}
245 \label{fig:ICs}
246 \end{figure}
247
248
249
250
251 \begin{figure}[t]
252 \begin{center}
253   \subfigure[ICs on the interval $(510;514)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs510a514.pdf}}\quad
254   \subfigure[ICs on the interval $(1000;1008)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs1000a1008.pdf}}
255 \end{center}
256 \caption{ICs on small intervals.}
257 \label{fig:ICs2}
258 \end{figure}
259
260 \begin{figure}[t]
261 \begin{center}
262   \subfigure[ICs on the interval $(0;16)$.]{\includegraphics[scale=.3]{ICs0a16.pdf}}\quad
263   \subfigure[ICs on the interval  $(40;70)$.]{\includegraphics[scale=.45]{ICs40a70.pdf}}\quad
264 \end{center}
265 \caption{General aspect of the chaotic iterations.}
266 \label{fig:ICs3}
267 \end{figure}
268
269
270 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:
271
272 \begin{proposition}
273 \label{Prop:derivabilite des ICs}
274 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 $\left\{ \dfrac{n}{10} ~\big/~ n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10\rrbracket \right\}$.
275
276 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: $\forall x \notin I, g'(x)=10$.
277 \end{proposition}
278
279
280 \begin{proof}
281 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 $x$:
282 \begin{itemize}
283 \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 $e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}$).
284 \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 $10\times y - s^0$.
285 \end{itemize}
286 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 $\dfrac{1}{10}\left(e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}\right)-s^0$.
287 \end{proof}
288
289 \begin{remark}
290 Finally, chaotic iterations are elements of the large family of functions that are both chaotic and piecewise linear (like the tent map).
291 \end{remark}
292
293
294
295 \subsection{Comparison of the two metrics on $\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[$}
296
297 The two propositions bellow allow to compare our two distances on $\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[$:
298
299 \begin{proposition}
300 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,\Delta~\right) \to \left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[, D~\right)$ is not continuous. 
301 \end{proposition}
302
303 \begin{proof}
304 The sequence $x^n = 1,999\hdots 999$ constituted by $n$ 9 as decimal part, is such that:
305 \begin{itemize}
306 \item $\Delta (x^n,2) \to 0.$
307 \item But $D(x^n,2) \geqslant 1$, then $D(x^n,2)$ does not converge to 0.
308 \end{itemize}
309
310 The sequential characterization of the continuity concludes the demonstration.
311 \end{proof}
312
313
314
315 A contrario:
316
317 \begin{proposition}
318 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,D~\right) \to \left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[, \Delta ~\right)$ is a continuous fonction. 
319 \end{proposition}
320
321 \begin{proof}
322 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 $x$. 
323
324 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.
325 \end{proof}
326
327 The conclusion of these propositions is that the proposed metric is more precise than the Euclidian distance, that is:
328
329 \begin{corollary}
330 $D$ is finer than the Euclidian distance $\Delta$.
331 \end{corollary}
332
333 This corollary can be reformulated as follows:
334
335 \begin{itemize}
336 \item The topology produced by $\Delta$ is a subset of the topology produced by $D$.
337 \item $D$ has more open sets than $\Delta$.
338 \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 $\tau_\Delta$.
339 \end{itemize}
340
341
342 \subsection{Chaos of the chaotic iterations on $\mathds{R}$}
343 \label{chpt:Chaos des itérations chaotiques sur R}
344
345
346
347 \subsubsection{Chaos according to Devaney}
348
349 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:
350 \begin{itemize}
351 \item $\left(\Go, \mathcal{X}_d\right)$ and $\left(g, \big[ 0, 2^{10} \big[_D\right)$ are semiconjugate by $\varphi$,
352 \item Then $\left(g, \big[ 0, 2^{10} \big[_D\right)$ is a system chaotic according to Devaney, because the semiconjugacy preserve this character.
353 \item But the topology generated by $D$ is finer than the topology generated by the Euclidian distance $\Delta$ -- which is the order topology.
354 \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 $\mathds{R}$.
355 \end{itemize}
356
357 This result can be formulated as follows.
358
359 \begin{theorem}
360 \label{th:IC et topologie de l'ordre}
361 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.
362 \end{theorem}
363
364 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.
365  
366
367
368
369 \section{Efficient prng based on chaotic iterations}
370
371 On parle du séquentiel avec des nombres 64 bits\\
372
373 Faire le lien avec le paragraphe précédent (je considère que la stratégie s'appelle $S^i$\\
374
375 In  order to  implement efficiently  a PRNG  based on  chaotic iterations  it is
376 possible to improve  previous works [ref]. One solution  consists in considering
377 that the  strategy used $S^i$  contains all the  bits for which the  negation is
378 achieved out. Then instead of applying  the negation on these bits we can simply
379 apply the  xor operator between  the current number  and the strategy  $S^i$. In
380 order to obtain the strategy we also use a classical PRNG.
381
382 \begin{figure}[htbp]
383 \begin{center}
384 \fbox{
385 \begin{minipage}{14cm}
386 unsigned int CIprng() \{\\
387   static unsigned int x = 123123123;\\
388   unsigned long t1 = xorshift();\\
389   unsigned long t2 = xor128();\\
390   unsigned long t3 = xorwow();\\
391   x = x\textasciicircum (unsigned int)t1;\\
392   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t2$>>$32);\\
393   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t3$>>$32);\\
394   x = x\textasciicircum (unsigned int)t2;\\
395   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t1$>>$32);\\
396   x = x\textasciicircum (unsigned int)t3;\\
397   return x;\\
398 \}
399 \end{minipage}
400 }
401 \end{center}
402 \caption{sequential Chaotic Iteration PRNG}
403 \label{algo:seqCIprng}
404 \end{figure}
405
406 In Figure~\ref{algo:seqCIprng}  a sequential  version of our  chaotic iterations
407 based PRNG  is presented.  This version  uses three classical 64  bits PRNG: the
408 \texttt{xorshift},  the \texttt{xor128}  and the  \texttt{xorwow}.   These three
409 PRNGs  are presented  in~\cite{Marsaglia2003}.   As each  PRNG  used works  with
410 64-bits and as  our PRNG works with 32 bits, the  use of \texttt{(unsigned int)}
411 selects the 32 least  significant bits whereas \texttt{(unsigned int)(t3$>>$32)}
412 selects the 32  most significants bits of the  variable \texttt{t}. This version
413 sucesses   the   BigCrush   of    the   TestU01   battery   [P.   L’ecuyer   and
414   R. Simard. Testu01].
415
416 \section{Efficient prng based on chaotic iterations on GPU}
417
418 On parle du passage du sequentiel au GPU
419
420 \section{Experiments}
421
422 On passe le BigCrush\\
423 On donne des temps de générations sur GPU/CPU\\
424 On donne des temps de générations de nombre sur GPU puis on rappatrie sur CPU / CPU ? bof bof, on verra
425
426
427 \section{Conclusion}
428 \bibliographystyle{plain}
429 \bibliography{mabase}
430 \end{document}