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index 985faee77c6a470dbbb13b700daa18d934df7d4b..730b6206c2d632339de2e864e2921ce2e16f1ed5 100644 (file)
@@ -8,6 +8,7 @@
 \usepackage{moreverb}
 \usepackage{commath}
 \usepackage{algorithm2e}
 \usepackage{moreverb}
 \usepackage{commath}
 \usepackage{algorithm2e}
+\usepackage{listings}
 \usepackage[standard]{ntheorem}
 
 % Pour mathds : les ensembles IR, IN, etc.
 \usepackage[standard]{ntheorem}
 
 % Pour mathds : les ensembles IR, IN, etc.
@@ -48,9 +49,10 @@ This is the abstract
 
 Interet des itérations chaotiques pour générer des nombre alea\\
 Interet de générer des nombres alea sur GPU
 
 Interet des itérations chaotiques pour générer des nombre alea\\
 Interet de générer des nombres alea sur GPU
+\alert{RC, un petit state-of-the-art sur les PRNGs sur GPU ?}
 ...
 
 ...
 
-% >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> Basic recalls <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
+
 \section{Basic Recalls}
 \label{section:BASIC RECALLS}
 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of topological chaos and chaotic iterations.
 \section{Basic Recalls}
 \label{section:BASIC RECALLS}
 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of topological chaos and chaotic iterations.
@@ -163,6 +165,39 @@ X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
 
 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic iterations. The shift function is a famous example of a chaotic map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as chaotic. 
 
 
 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic iterations. The shift function is a famous example of a chaotic map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as chaotic. 
 
+To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})\in
+\mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
+\begin{equation*}
+d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
+\end{equation*}
+\noindent where
+\begin{equation*}
+\left\{
+\begin{array}{lll}
+\displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
+}\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
+\displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
+\sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
+\end{array}%
+\right.
+\end{equation*}
+
+
+This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
+\begin{itemize}
+\item When the number of different cells between two systems is increasing, then their distance should increase too.
+\item In addition, if two systems present the same cells and their respective strategies start with the same terms, then the distance between these two points must be small because the evolution of the two systems will be the same for a while. Indeed, the two dynamical systems start with the same initial condition, use the same update function, and as strategies are the same for a while, then components that are updated are the same too.
+\end{itemize}
+The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$ differ in $n$ cells. In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
+
+Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
+
+\begin{proposition}
+Let $f$ be a map from $\mathds{B}^n$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in the metric space $(\mathcal{X},d)$.
+\end{proposition}
+
+The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial Boolean negation \cite{guyeux10}. To obtain a characterization, we have secondly introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
+
 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^n$ to itself. The
 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^n$ to itself. The
 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
@@ -173,7 +208,7 @@ path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
 
 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
 
-We have proven in \cite{FCT11} that,
+We have finally proven in \cite{FCT11} that,
 
 
 \begin{theorem}
 
 
 \begin{theorem}
@@ -182,8 +217,8 @@ Let $f:\mathds{B}^n\to\mathds{B}^n$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney)
 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
 \end{theorem}
 
 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
 \end{theorem}
 
-
-
+This result of chaos has lead us to study the possibility to build a pseudo-random number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
+As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  n \rrbracket^{\mathds{N}}  \times \mathds{B}^n$, is build from Boolean networks $f : \mathds{B}^n \rightarrow \mathds{B}^n$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$ during implementations (due to the discrete nature of $f$). It is as if $\mathds{B}^n$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  n \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance).
 
 \section{Application to Pseudo-Randomness}
 
 
 \section{Application to Pseudo-Randomness}
 
@@ -212,7 +247,7 @@ return $x$\;
 \end{algorithm}
 
 \begin{algorithm}[h!]
 \end{algorithm}
 
 \begin{algorithm}[h!]
-\SetAlgoLined
+%\SetAlgoLined                        %%RAPH: cette ligne provoque une erreur chez moi
 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
@@ -251,6 +286,11 @@ We have proven in \cite{FCT11} that,
 \end{theorem} 
 
 
 \end{theorem} 
 
 
+
+\alert{Mettre encore un peu de blabla sur le PRNG, puis enchaîner en disant que, ok, on peut préserver le chaos quand on passe sur machine, mais que le chaos dont il s'agit a été prouvé pour une distance bizarroïde sur un espace non moins hémoroïde, d'où ce qui suit}
+
+
+
 \section{The relativity of disorder}
 \label{sec:de la relativité du désordre}
 
 \section{The relativity of disorder}
 \label{sec:de la relativité du désordre}
 
@@ -629,52 +669,121 @@ Indeed this result is weaker than the theorem establishing the chaos for the fin
 
 On parle du séquentiel avec des nombres 64 bits\\
 
 
 On parle du séquentiel avec des nombres 64 bits\\
 
-Faire le lien avec le paragraphe précédent (je considère que la stratégie s'appelle $S^i$\\
 
 In  order to  implement efficiently  a PRNG  based on  chaotic iterations  it is
 possible to improve  previous works [ref]. One solution  consists in considering
 
 In  order to  implement efficiently  a PRNG  based on  chaotic iterations  it is
 possible to improve  previous works [ref]. One solution  consists in considering
-that the  strategy used $S^i$  contains all the  bits for which the  negation is
+that the  strategy used contains all the  bits for which the  negation is
 achieved out. Then instead of applying  the negation on these bits we can simply
 achieved out. Then instead of applying  the negation on these bits we can simply
-apply the  xor operator between  the current number  and the strategy  $S^i$. In
+apply the  xor operator between  the current number  and the strategy. In
 order to obtain the strategy we also use a classical PRNG.
 
 order to obtain the strategy we also use a classical PRNG.
 
-\begin{figure}[htbp]
-\begin{center}
-\fbox{
-\begin{minipage}{14cm}
-unsigned int CIprng() \{\\
-  static unsigned int x = 123123123;\\
-  unsigned long t1 = xorshift();\\
-  unsigned long t2 = xor128();\\
-  unsigned long t3 = xorwow();\\
-  x = x\textasciicircum (unsigned int)t1;\\
-  x = x\textasciicircum (unsigned int)(t2$>>$32);\\
-  x = x\textasciicircum (unsigned int)(t3$>>$32);\\
-  x = x\textasciicircum (unsigned int)t2;\\
-  x = x\textasciicircum (unsigned int)(t1$>>$32);\\
-  x = x\textasciicircum (unsigned int)t3;\\
-  return x;\\
-\}
-\end{minipage}
+%% \begin{figure}[htbp]
+%% \begin{center}
+%% \fbox{
+%% \begin{minipage}{14cm}
+%% unsigned int CIprng() \{\\
+%%   static unsigned int x = 123123123;\\
+%%   unsigned long t1 = xorshift();\\
+%%   unsigned long t2 = xor128();\\
+%%   unsigned long t3 = xorwow();\\
+%%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t1;\\
+%%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t2$>>$32);\\
+%%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t3$>>$32);\\
+%%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t2;\\
+%%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t1$>>$32);\\
+%%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t3;\\
+%%   return x;\\
+%% \}
+%% \end{minipage}
+%% }
+%% \end{center}
+%% \caption{sequential Chaotic Iteration PRNG}
+%% \label{algo:seqCIprng}
+%% \end{figure}
+
+
+
+\lstset{language=C,caption={C code of the sequential chaotic iterations based PRNG},label=algo:seqCIprng}
+\begin{lstlisting}
+unsigned int CIprng() {
+  static unsigned int x = 123123123;
+  unsigned long t1 = xorshift();
+  unsigned long t2 = xor128();
+  unsigned long t3 = xorwow();
+  x = x^(unsigned int)t1;
+  x = x^(unsigned int)(t2>>32);
+  x = x^(unsigned int)(t3>>32);
+  x = x^(unsigned int)t2;
+  x = x^(unsigned int)(t1>>32);
+  x = x^(unsigned int)t3;
+  return x;
 }
 }
-\end{center}
-\caption{sequential Chaotic Iteration PRNG}
-\label{algo:seqCIprng}
-\end{figure}
+\end{lstlisting}
+
+
+
+
 
 
-In Figure~\ref{algo:seqCIprng}  a sequential  version of our  chaotic iterations
-based PRNG  is presented.  This version  uses three classical 64  bits PRNG: the
-\texttt{xorshift},  the \texttt{xor128}  and the  \texttt{xorwow}.   These three
-PRNGs  are presented  in~\cite{Marsaglia2003}.   As each  PRNG  used works  with
-64-bits and as  our PRNG works with 32 bits, the  use of \texttt{(unsigned int)}
-selects the 32 least  significant bits whereas \texttt{(unsigned int)(t3$>>$32)}
-selects the 32  most significants bits of the  variable \texttt{t}. This version
-sucesses   the   BigCrush   of    the   TestU01   battery   [P.   L’ecuyer   and
+In listing~\ref{algo:seqCIprng}  a sequential  version of our  chaotic iterations
+based PRNG  is presented.  This version  uses three classical  64-bits PRNG: the
+\texttt{xorshift},   the  \texttt{xor128}  and   the  \texttt{xorwow}.   In  the
+following,  we  call them  xor-like  PRNGSs.   These  three PRNGs  are  presented
+in~\cite{Marsaglia2003}.  As each xor-like  PRNG used works with 64-bits  and as our PRNG
+works  with 32-bits, the  use of  \texttt{(unsigned int)}  selects the  32 least
+significant bits  whereas \texttt{(unsigned int)(t3$>>$32)} selects  the 32 most
+significants  bits of the  variable \texttt{t}.  So to  produce a  random number
+realizes 6  xor operations with  6 32-bits numbers  produced by 3  64-bits PRNG.
+This version  successes the  BigCrush of the  TestU01 battery [P.   L’ecuyer and
   R. Simard. Testu01].
 
 \section{Efficient prng based on chaotic iterations on GPU}
 
   R. Simard. Testu01].
 
 \section{Efficient prng based on chaotic iterations on GPU}
 
-On parle du passage du sequentiel au GPU
+In  order to benefit  from computing  power of  GPU, a  program needs  to define
+independent blocks of threads which  can be computed simultaneously. In general,
+the larger the number of threads is,  the more local memory is used and the less
+branching  instructions are  used (if,  while, ...),  the better  performance is
+obtained  on  GPU.  So  with  algorithm  \ref{algo:seqCIprng}  presented in  the
+previous section, it is possible to  build a similar program which computes PRNG
+on  GPU. The principe  consists in  assigning the  computation of  a PRNG  as in
+sequential to each thread of the GPU.  Of course, it is essential that the three
+xor-like PRNGs used  for our computation have different  parameters. So we chose
+them randomly with another PRNG. As  the initialisation is performed by the CPU,
+we have chosen to use the ISAAC PRNG to initalize all the parameters for the GPU
+version  of  our  PRNG.  The  implementation  of  the  three xor-like  PRNGs  is
+straightforward  as soon  as their  parameters have  been allocated  in  the GPU
+memory. Each xor-like  PRNGs used works with an internal  number $x$ which keeps
+the last generated random numbers. Other internal variables are also used by the
+xor-like PRNGs. More  precisely, the implementation of the  xor128, the xorshift
+and  the xorwow  respectively  require 4,  5  and 6  unsigned  long as  internal
+variables.
+
+\begin{algorithm}
+
+\KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like PRNGs in global memory\;
+NumThreads: Number of threads\;}
+\KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
+\If{threadId is concerned} {
+  retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables\;
+  \For{i=1 to n} {
+    compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIprng}\;
+    store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
+  }
+  store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
+}
+
+\caption{main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU version}
+\label{algo:gpu_kernel}
+\end{algorithm}
+
+According to  the available  memory in the  GPU and  the number of  threads used
+simultenaously, the number of random numbers that a thread can generate inside a
+kernel     is     limited,      i.e.      the     variable     \texttt{n}     in
+algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}. For example, if  $100,000$ threads are used and
+if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)}
+then   the  memory   required   to  store   internals   variables  of   xor-like
+PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
+and  random  number of  our  PRNG  is  equals to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
+2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, i.e. about $52$Mb.
 
 \section{Experiments}
 
 
 \section{Experiments}