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[prng_gpu.git] / prng_gpu.tex
index 537feef1ed568e1d4c3c9891bef7af37510dd0c6..dc91965a2009f5b3aa21cbdadfad7c89dee1b629 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.
@@ -191,11 +193,10 @@ The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
 
 \begin{proposition}
 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
 
 \begin{proposition}
-$G_{f}$ must be continuous in the metric
-space $(\mathcal{X},d)$.
+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}
 
 \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 introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
+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
 
 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^n$ to itself. The
 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
@@ -216,8 +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}
 
@@ -246,7 +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)}
 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
@@ -285,6 +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}
 
@@ -661,60 +667,197 @@ Indeed this result is weaker than the theorem establishing the chaos for the fin
 
 \section{Efficient prng based on chaotic iterations}
 
 
 \section{Efficient prng based on chaotic iterations}
 
-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
-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
+that the  strategy used contains all the  bits for which the  negation is
+achieved out. Then in order to apply  the negation on these bits we can simply
+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}
+Here  is an  example with  16-bits numbers  showing how  the bit  operations are
+applied.  Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are defined  in binary mode.
+Then the following table shows the result of $x$ xor $S^i$.
+$$
+\begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
+\hline
+x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
+\hline
+S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
+\hline
+x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
+\hline
+
+\hline
+ \end{array}
+$$
+
+%% \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$>>$32)}
-selects the 32  most significants bits of the  variable \texttt{t}. This version
-sucesses   the   BigCrush   of    the   TestU01   battery   [P.   L’ecuyer   and
+
+
+In listing~\ref{algo:seqCIprng}  a sequential  version of our  chaotic iterations
+based PRNG  is presented. The xor operator is represented by \textasciicircum. This function  uses three classical  64-bits PRNG: the
+\texttt{xorshift},   the  \texttt{xor128}  and   the  \texttt{xorwow}.   In  the
+following,  we  call them  xor-like  PRNGSs.   These  three PRNGs  are  presented
+in~\cite{Marsaglia2003}.  As each xor-like  PRNG used works with 64-bits  and as our PRNG
+works  with 32-bits, the  use of  \texttt{(unsigned int)}  selects the  32 least
+significant bits  whereas \texttt{(unsigned int)(t3$>>$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. 
+
+
+\subsection{Naive version for GPU}
+
+From the CPU version, it is possible  to obtain a quite similar version for 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  [ref] 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 naive 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.
+
+All the  tests performed  to pass the  BigCrush of TestU01  succeeded. Different
+number of threads have been tested upto $10$ millions.
+
+\begin{remark}
+Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  has  the  advantage to  manipulate  independent
+PRNGs, so this version is easily usable on a cluster of computer. The only thing
+to ensure is to use a single ISAAC PRNG. For this, a simple solution consists in
+using a master node for the initialization which computes the initial parameters
+for all the differents nodes involves in the computation.
+\end{remark}
+
+\subsection{Improved version for GPU}
+
+As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
+is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
+i.e. using  less than 3 xor-like  PRNGs. The solution consists  in comuting only
+one xor-like PRNG  by thread, saving in into shared  memory and accessing result
+of some other threads in the same block of threads.
+
+\begin{algorithm}
+
+\KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs in global memory\;
+NumThreads: Number of threads\;
+tab1, tab2: Arrays containing permutations\;}
+
+\KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
+\If{threadId is concerned} {
+  retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables\;
+  offset = threadId\%32;
+  \For{i=1 to n} {
+    t=xor-like()\;
+    shared\_mem[threadId]=(unsigned int)t\;
+    x = x$\oplus$ (unsigned int) t\;
+    x = x$\oplus$ (unsigned int) (t>>32)\;
+    x = x$\oplus$ shared[tab1[offset]]\;
+    x = x$\oplus$ shared[tab2[offset]]\;
+
+    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 efficient version}
+\label{algo:gpu_kernel2}
+\end{algorithm}
 \section{Experiments}
 
 \section{Experiments}
 
-On passe le BigCrush\\
-On donne des temps de générations sur GPU/CPU\\
-On donne des temps de générations de nombre sur GPU puis on rappatrie sur CPU / CPU ? bof bof, on verra
+Differents experiments have been performed in order to measure the generation speed.
+
+
+First of all we have compared the time to generate X random numbers with both the CPU version and the GPU version. 
+
+Faire une courbe du nombre de random en fonction du nombre de threads, éventuellement en fonction du nombres de threads par bloc.
 
 
 \section{Conclusion}
 
 
 \section{Conclusion}