Depuis l'apparition des premiers ordinateurs, l'arithmétique flottante a énormément évolué. La norme IEEE 754 a permis de fixer les caractéristiques de l'arithmétique des ordinateurs modernes, mais les scientifiques perdent de plus en plus vite le contrôle de la validité de leurs calculs. Malgré l'énorme travail associé à la définition des opérations, la validation des calculs ne peut toujours pas être assurée de façon certaine par l'arithmétique implantée sur les ordinateurs. Je présente dans la première partie de cette étude deux prolongements qui visent à augmenter la marge de validité des opérations : un nouveau mode d'arrondi pour les fonctions trigonométriques et un codage efficace des intervalles accessible facilement à l'utilisateur. Je présente aussi dans cette partie une étude détaillée de la fonction unit in the last place et la probabilité d'absorption ou de propagation des erreurs dans une chaîne de multiplication. Ces travaux, qui viennent s'ajouter aux travaux antérieurs d'autres équipes de recherche et aux solutions que j'ai proposées dans ma thèse de master montrent les bénéfices que l'on pourra tirer des deux extensions présentées. L'arithmétique en-ligne permet de gérer efficacement les problèmes de précision, mais les opérateurs élémentaires utilisés sont peu adaptés aux architectures modernes de 32 ou 64 bits. L'implantation efficace d'un opérateur en-ligne ne peut que passer par la description d'un circuit de bas niveau. Les prédiffusés actifs, terme français utilisé pour Field Programmable Gate Array, sont des composants spéciaux programmables au niveau des portes logiques. Ils permettent d'abaisser les coûts de production en évitant de fabriquer un prototype. Nous avons implanté grâce à ces technologies les opérateurs simples de calcul en-ligne : addition, normalisation, etc...Le Noyau Arithmétique de Calcul En-Ligne (Nacel) décrit dans ce mémoire permet d'implanter les opérations arithmétiques usuelles telles que la multiplication, la division, l'extraction de racine carrée et les fonctions élémentaires trigonométriques et hyperboliques par une approximation polynômiale. Les architectures à flots de données sont insensibles aux difficultés sur lesquelles butent les concepteurs des ordinateurs modernes : temps d'accès à la mémoire, latence de communication, occupation partielle du pipeline d'instructions. Je décris dans ce document le mode de fonctionnement d'une machine virtuelle appelée Petite Unité de Calcul En-ligne (Puce). Par une gestion adaptée des étiquettes inspirée pour le contrôle des données de celle utilisée par la Manchester Data Flow Machine, Puce reproduit le comportement complet d'une machine à flot de données. Elle comprend de plus les opérations en-ligne de calcul scientifique. Nous présentons afin de valider le modèle d'évaluation de Puce les résultats de simulations logicielles pour une ou plusieurs unités fonctionnelles.

Reproduction de : Thèse de docteur-ingénieur : informatique : Grenoble, INPG : 1986. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 233-241.

Les machines actuelles offrent de plus en plus de fonctionnalités arithmétiques au niveau matériel. Les générations actuelles de processeurs proposent des opérateurs matériels rapides pour le calcul des divisions, des racines carrées, des sinus, des cosinus, des logarithmes... La littérature du domaine montre qu'en changeant notre façon de représenter les nombres et/ou en utilisant des algorithmes spécifiques de calcul, il est possible de réaliser des opérateurs matériels particulièrement efficaces. Le but de cette thèse est d'étudier et d'illustrer les liens profonds existants entre l'arithmétique et l'architecture des ordinateurs à travers quatre problèmes. Les Opérateurs Arithmétiques Asynchrones permettent de calculer les fonctions arithmétiques (addition, multiplication, division) avec un délai variable. En particulier, nous avons développé un additionneur asynchrone dont le temps moyen de calcul est O(sqrt(\log n)). L'Arithmétique En-Ligne permet de réaliser des architectures où les nombres circulent en série, chiffre par chiffre, les poids forts en tête. L'intérêt de cette arithmétique est de pouvoir calculer toutes les fonctions (en arithmétique série poids faibles en tête, il n'est pas possible de calculer les divisions et les maximums) et d'obtenir des opérateurs de petite taille avec un nombre d'entrées/sorties plus faible que leur équivalents parallèles. L'Arrondi Exact des Fonctions Elémentaires consiste à déterminer la précision intermédiaire permettant de toujours pouvoir arrondir "exactement" les résultats du calcul des fonctions élémentaires (sinus, cosinus, exponentielle...). Nous proposons dans cette thèse une méthode qui permet d'arrondir exactement les fonctions élémentaires assez rapidement. Le Système Semi-Logarithmique de Représentation des Nombres est un système permettant d'effectuer rapidement les calculs de problèmes dont le nombre de multiplications/divisions est grand devant le nombre d'additions/soustractions.

Cette thèse présente nos travaux de recherche qui ont comme principal objectif d'assurer la portabilité des performances et le passage à l'échelle des applications scientifiques complexes exécutées sur des plates-formes multi-coeurs parallèles et hiérarchiques. La portabilité des performances est obtenue lorsque l'ordonnancement des tâches d'une application permet de réduire les périodes d'inactivité des coeurs de la plate-forme. Cette portabilité des performances peut être affectée par différents problèmes tels que des déséquilibres de charge, des communications coûteuses et des surcoûts provenant de l'ordonnancement des tâches. Le déséquilibre de charge est la conséquence de comportements de charges irrégulières et dynamiques, où le volume de calcul varie dynamiquement en fonction de la tâche et de l'étape de simulation. Les communications coûteuses sont provoquées par un ordonnancement qui ne prend pas en compte les différents temps de c! ommunication entre tâches sur une plate-forme hiérarchique. Cela est accentué par des communications non uniformes et asymétriques au niveau mémoire et réseau. Enfin, ces surcoûts peuvent être générés par des algorithmes de placement trop complexes dont les coûts ne seraient pas compensés par les gains de performance. Pour atteindre cet objectif de portabilité des performances, notre approche repose sur une récolte d'informations précises sur la topologie de la machine qui vont aider les algorithmes d'ordonnancement de tâches à prendre les bonnes décisions. Dans ce contexte, nous avons proposé une modélisation générique de la topologie des plates-formes parallèles. Le modèle comprend des latences et des bandes passantes mesurées de la mémoire et du réseau qui mettent en évidence des asymétries. Ces informations sont utilisées par nos trois algorithmes d'équilibrage de charge nommés NucoLB, HwTopoLB, et HierarchicalLB. De plus, ces algorithmes utilisent des informations provenant de l'exécution de l'application. NucoLB se concentre sur les aspects non uniformes de plates-formes parallèles, alors que HwTopoLB considère l'ensemble de la hiérarchie pour ses décisions, et HierarchicalLB combine ces algorithmes hiérarchiquement pour réduire son surcoût d'ordonnanceme! nt de tâches. Ces algorithmes cherchent à atténuer le déséquilibre de charge et des communications coûteuses tout en limitant les surcoûts de migration des tâches. Les résultats expérimentaux avec les trois régulateurs de charge proposés ont montré des améliorations de performances sur les meilleurs algorithmes de l'état de l'art: NucoLB a présenté jusqu'à 19% d'amélioration de performances sur un noeud de calcul; HwTopoLB a amélioré les performances en moyenne de 19%, et HierarchicalLB a surclassé HwTopoLB de 22% en moyenne sur des plates-formes avec plus de dix noeuds de calcul. Ces résultats ont été obtenus en répartissant la charge entre les ressources disponibles, en réduisant les coûts de communication des applications, et en gardant les surcoûts d'équilibrage de charge faibles. En ce sens, nos algorithmes d'équilibrage de charge permettent la portabilité des performances pour les applications scientifiques tout en étant indépendant de l'application et de l'architecture du système.

Les processeurs graphiques (GPU) actuels offrent une importante puissance de calcul disponible à faible coût. Ce fait a conduit à détourner leur emploi pour réaliser du calcul non graphique, donnant naissance au domaine du calcul généraliste sur processeur graphique (GPGPU). Cette thèse considère d'une part des techniques logicielles pour tirer parti de l'ensemble des opérateurs arithmétiques spécifiques aux GPU dans le cadre du calcul scientifique, et d'autre part des adaptations matérielles aux GPU afin d'exécuter plus efficacement les applications généralistes. En particulier, nous identifions la régularité parallèle comme une opportunité d'optimisation des architectures parallèles, et exposons son potentiel par la simulation d'une architecture GPU existante. Nous considérons ensuite deux alternatives permettant d'exploiter cette régularité. D'une part, nous mettons au point un mécanisme matériel dynamique afin d'améliorer l'efficacité énergétique des unités de calcul. D'autre part, nous présentons une analyse statique opérée à la compilation permettant de simplifier le matériel dédié au contrôle dans les GPU.

PASC-HLL est une unité centrale d'ordinateur adaptée à l'exécution du langage Pascal. Cette réalisation illustre une méthodologie de conception descendante qui, à partir d'un cahier des charges (but) et en fonction des matériels existants (moyens) permet de concevoir la machine étape par étape depuis le langage Pascal jusqu'à la réalisation matérielle

Les couplages sont des primitives cryptographiques qui interviennent désormais dans de nombreux protocoles. Dès lors, il est nécessaire de s'intéresser à leur calcul et à leur implémentation efficace. Pour ce faire, nous nous reposons sur une étude algorithmique et arithmétique de ces fonctions mathématiques. Les couplages sont des applications bilinéaires définies sur des courbes algébriques, plus particulièrement, dans le cas qui nous intéresse, des courbes elliptiques et hyperelliptiques. Nous avons choisi de nous concentrer sur une sous-famille de celles-ci : les courbes supersingulières dont les propriétés permettent d'obtenir à la fois des couplages symétriques et des algorithmes efficaces pour leur calcul. Nous décrivons alors une approche unifiée permettant d'établir une large variété d'algorithmes calculant des couplages. Nous l'appliquons notamment à la construc- tion d'un nouvel algorithme pour le calcul de couplages sur des courbes supersin- gulières de genre 2 et de caractéristique 2. Les calculs nécessaires aux couplages que nous décrivons s'appuient sur l'implé- mentation d'une arithmétique rapide pour les corps finis de petite caractéristique : la multiplication est l'opération critique qu'il convient d'optimiser. Nous présen- tons donc un algorithme de recherche exhaustive de formules de multiplication. Enfin, nous appliquons toutes les méthodes précédentes à la conception et l'im- plémentation de différents accélérateurs matériels pour le calcul de couplages sur différentes courbes dont les architectures ont été optimisées soit pour leur rapidité, soit pour leur compacité.

Ces travaux de thèse portent sur l'accélération de calculs de la cryptographie sur courbes elliptiques (ECC) grâce à une représentation peu habituelle des nombres, appelée représentation modulaire des nombres (ou RNS pour residue number system). Après un état de l'art de l'utilisation du RNS en cryptographie, plusieurs nouveaux algorithmes RNS, plus rapides que ceux de l'état de l'art, sont présentés. Premièrement, nous avons proposé un nouvel algorithme d'inversion modulaire en RNS. Les performances de notre algorithme ont été validées via une implantation FPGA, résultant en une inversion modulaire 5 à 12 fois plus rapide que l'état de l'art, pour les paramètres cryptographiques testés. Deuxièmement, un algorithme de multiplication modulaire RNS a été proposé. Cet algorithme décompose les valeurs en entrée et les calculs, afin de pouvoir réutiliser certaines parties lorsque c'est possible, par exemple lors du calcul d'un carré. Il permet de réduire de près de 25 % le nombre de pré-calculs à stocker et jusqu'à 10 % le nombre de multiplications élémentaires pour certaines applications cryptographiques (p. ex. le logarithme discret). Un algorithme d'exponentiation reprenant les mêmes idées est aussi présenté, réduisant le nombre de multiplications élémentaires de 15 à 22 %, contre un surcoût en pré-calculs à stocker. Troisièmement, un autre algorithme de multiplication modulaire RNS est proposé, ne nécessitant qu'une seule base RNS au lieu de 2 pour l'état de l'art, et utilisable uniquement dans le cadre ECC. Cet algorithme permet, pour certains corps bien spécifiques, de diviser par 2 le nombre de multiplications élémentaires et par 4 les pré-calculs à stocker. Les premiers résultats FPGA donnent des implantations de notre algorithme jusqu'à 2 fois plus petites que celles de l'algorithme de l'état de l'art, pour un surcoût en temps d'au plus 10 %. Finalement, une méthode permettant des tests de divisibilités multiples rapides est proposée, pouvant être utilisée en matériel pour un recodage de scalaire, accélérant certains calculs pour ECC. / The main objective of this PhD thesis is to speedup elliptic curve cryptography (ECC) computations, using the residue number system (RNS). A state-of-art of RNS for cryptographic computations is presented. Then, several new RNS algorithms, faster than state-of-art ones, are proposed. First, a new RNS modular inversion algorithm is presented. This algorithm leads to implementations from 5 to 12 times faster than state-of-art ones, for the standard cryptographic parameters evaluated. Second, a new algorithm for RNS modular multiplication is proposed. In this algorithm, computations are split into independant parts, which can be reused in some computations when operands are reused, for instance to perform a square. It reduces the number of precomputations by 25 % and the number of elementary multiplications up to 10 %, for some cryptographic applications (for example with the discrete logarithm). Using the same idea, an exponentiation algorithm is also proposed. It reduces from 15 % to 22 % the number of elementary multiplications, but requires more precomputations than state-of-art. Third, another modular multiplication algorithm is presented, requiring only one RNS base, instead of 2 for the state-of-art. This algorithm can be used for ECC and well-chosen fields, it divides by 2 the number of elementary multiplications, and by 4 the number of precomputations to store. Partial FPGA implementations of our algorithm halves the area, for a computation time overhead of, at worse, 10 %, compared to state-of-art algorithms. Finally, a method for fast multiple divisibility tests is presented, which can be used in hardware for scalar recoding to accelerate some ECC computations.

La motivation de ce travail est la réalisation de circuits permettant d'afficher rapidement des images sur un écran d'ordinateur. Voici dix ans, nous avons proposé un circuit LSI, prenant en charge la gestion d'une mémoire d'image et l'écriture rapide de segments de droite et de caractères, dans une optique de "terminal graphique". Nous avons ensuite cherché à augmenter les performances de cette architecture et à l'adapter à l'environnement "station de travail". Nous sommes aujourd'hui convaincu que la solution ne passe pas par des circuits spécialisés, mais par la définition d'opérateurs généraux de calcul très puissants. Pour expliquer cet itinéraire, nous décrivons une suite d'expérimentations réalisées, précédée par une histoire des architectures de visualisation.