Le sujet de cette thèse est le développement de méthodes pour la découverte automatique des propriétés des variables numériques d'un programme. Nous nous plaçons dans le cadre de l'interprétation abstraite et introduisons plusieurs nouveaux domaines numériques, dont celui des octogones, de coût et de précision intermédiaires entre les domaines non relationnels (peu précis) et relationnels (coûteux) existants. Nous présentons leur adaptation à l'analyse des nombres à virgule flottante, jusqu'à présent limitée aux domaines non relationnels. Enfin, nous présentons les méthodes génériques de linéarisation et de propagation symbolique améliorant leur précision pour un surcoût réduit. Les méthodes introduites dans cette thèse ont été intégr! ées à l'analyseur Astrée et appliquées à la preuve d'absence d'erreurs dans le logiciel embarqué critique de commande de vol des avions Airbus A340, justifiant ainsi l'intérêt de nos méthodes pour des cadres d'applications réelles.

Les limites physiques des circuits à base de silicium étant en passe d'être atteintes, de nouveaux moyens doivent être trouvés pour outrepasser la fin de la loi de Moore. Beaucoup d'applications peuvent tolérer des approximations dans leurs calculs à différents niveaux, sans dégrader la qualité de leur sortie, ou en la dégradant de manière acceptable. Cette thèse se concentre sur les architectures arithmétiques approximatives afin de saisir cette opportunité. Tout d'abord, une étude critique de l'état de l'art des additionneurs et multiplieurs approximatifs est présentée. Ensuite, un modèle de propagation d'erreur virgule-fixe mettant en œuvre la densité spectrale de puissance est proposée, suivi d'un modèle de propagation du taux d'erreur binaire positionnel des opérateurs approximatifs. Les opérateurs approximatifs sont ensuite utilisés pour la reproduction des effets de la VOS dans les opérateurs arithmétiques exacts. Grâce à notre outil de travail open-source ApxPerf et ses bibliothèques synthétisables C++ apx_fixed pour les opérateurs approximatifs et ct_float pour l'arithmétique flottante basse consommation, deux études consécutives sont proposées, basées sur des applications de traitement du signal complexes. Tout d'abord, les opérateurs approximatifs sont comparés à l'arithmétique virgule-fixe, et la supériorité de la virgule-fixe est soulignée. Enfin, la virgule fixe est comparée aux petits flottants dans des conditions équivalentes. En fonction des conditions applicatives, la virgule-flottante montre une compétitivité inattendue face à la virgule-fixe. Les résultats et discussions de cette thèse donnent un regard nouveau sur l'arithmétique approximative et suggère de nouvelles directions pour le futur des architectures efficaces en énergie. / The physical limits being reached in silicon-based computing, new ways have to be found to overcome the predicted end of Moore's law. Many applications can tolerate approximations in their computations at several levels without degrading the quality of their output, or degrading it in an acceptable way. This thesis focuses on approximate arithmetic architectures to seize this opportunity. Firstly, a critical study of state-of-the-art approximate adders and multipliers is presented. Then, a model for fixed-point error propagation leveraging power spectral density is proposed, followed by a model for bitwise-error rate propagation of approximate operators. Approximate operators are then used for the reproduction of voltage over-scaling effects in exact arithmetic operators. Leveraging our open-source framework ApxPerf and its synthesizable template-based C++ libraries apx_fixed for approximate operators, and ct_float for low-power floating-point arithmetic, two consecutive studies are proposed leveraging complex signal processing applications. Firstly, approximate operators are compared to fixed-point arithmetic, and the superiority of fixed-point is highlighted. Secondly, fixed-point is compared to small-width floating-point in equivalent conditions. Depending on the applicative conditions, floating-point shows an unexpected competitiveness compared to fixed-point. The results and discussions of this thesis give a fresh look on approximate arithmetic and suggest new directions for the future of energy-efficient architectures.

Cette thèse fait une étude sur deux moyens d'enrichir l'environnement flottant courant : le premier est d'obtenir plusieurs versions d'implantation pour chaque fonction mathématique, le deuxième est de fournir des opérations de la norme IEEE754, qui permettent de mélanger les entrées et la sortie dans les bases différentes. Comme la quantité de versions différentes pour chaque fonction mathématique est énorme, ce travail se concentre sur la génération du code. Notre générateur de code adresse une large variété de fonctions: il produit les implantations paramétrées pour les fonctions définies par l'utilisateur. Il peut être vu comme un générateur de fonctions boîtes-noires. Ce travail inclut un nouvel algorithme pour le découpage de domaine et une tentative de remplacer les branchements pendant la reconstruction par un polynôme. Le nouveau découpage de domaines produit moins de sous-domaines et les degrés polynomiaux sur les sous-domaines adjacents ne varient pas beaucoup. Pour fournir les implantations vectorisables il faut éviter les branchements if-else pendant la reconstruction. Depuis la révision de la norme IEEE754 en 2008, il est devenu possible de mélanger des nombres de différentes précisions dans une opération. Par contre, il n'y a aucun mécanisme qui permettrait de mélanger les nombres dans des bases différentes dans une opération. La recherche dans l'arithmétique en base mixte a commencé par les pires cas pour le FMA. Un nouvel algorithme pour convertir une suite de caractères décimaux du longueur arbitraire en nombre flottant binaire est présenté. Il est indépendant du mode d'arrondi actuel et produit un résultat correctement arrondi. / This work investigates two ways of enlarging the current floating-point environment. The first is to support several implementation versions of each mathematical function (elementary such as $\exp$ or $\log$ and special such as $\erf$ or $\Gamma$), the second one is to provide IEEE754 operations that mix the inputs and the output of different \radixes. As the number of various implementations for each mathematical function is large, this work is focused on code generation. Our code generator supports the huge variety of functions: it generates parametrized implementations for the user-specified functions. So it may be considered as a black-box function generator. This work contains a novel algorithm for domain splitting and an approach to replace branching on reconstruction by a polynomial. This new domain splitting algorithm produces less subdomains and the polynomial degrees on adjacent subdomains do not change much. To produce vectorizable implementations, if-else statements on the reconstruction step have to be avoided. Since the revision of the IEEE754 Standard in 2008 it is possible to mix numbers of different precisions in one operation. However, there is no mechanism that allows users to mix numbers of different radices in one operation. This research starts an examination ofmixed-radix arithmetic with the worst cases search for FMA. A novel algorithm to convert a decimal character sequence of arbitrary length to a binary floating-point number is presented. It is independent of currently-set rounding mode and produces correctly-rounded results.

Il est important que les logiciels pilotant les systèmes critiques (avions, centrales nucléaires, etc.) fonctionnent correctement — alors que la plupart des systèmes informatisés de la vie courante (micro-ordinateur, distributeur de billets, téléphone portable) ont des dysfonctionnements visibles. Il ne s'agit pas là d'un simple problème d'ingéniérie : on sait depuis les travaux de Turing et de Cook que la preuve de propriétés de bon fonctionnement sur les programmes est un problème intrinsèquement difficile.<br /><br />Pour résoudre ce problème , il faut des méthodes à la fois efficaces (coûts en temps et en mémoire modérés), sûres (qui trouvent tous les problèmes possibles) et précises (qui fournissent peu d'avertissements pour des problèmes inexistants). La recherche de ce compromis nécessite des recherches faisant appel à des domaines aussi divers que la logique formelle, l'analyse numérique ou l'algorithmique « classique ».<br /><br />De 2002 à 2007 j'ai participé au développement de l'outil d'analyse statique Astrée. Ceci m'a suggéré quelques développements annexes, à la fois théoriques et pratiques (utilisation de techniques de preuve formelle, analyse de filtres numériques...). Plus récemment, je me suis intéressé à l'analyse modulaire de propriétés numériques et aux applications en analyse de programme de techniques de résolution sous contrainte (programmation semidéfinie, techniques SAT et SAT modulo théorie).

Les systèmes informatiques permettent d'évaluer des fonctions numériques telles que f = exp, sin, arccos, etc. Cette thèse s'intéresse au processus d'implémentation de ces fonctions. Suivant la cible visée (logiciel ou matériel, faible ou grande précision), les problèmes qui se posent sont différents, mais l'objectif est toujours d'obtenir l'implémentation la plus efficace possible. Nous étudions d'abord, à travers un exemple, les problèmes qui se posent dans le cas où la précision est arbitraire. Lorsque, à l'inverse, la précision est connue d'avance, la fonction f est souvent remplacée par un polynôme d'approximation p. Un tel polynôme peut ensuite être évalué très efficacement en machine. En pratique, les coefficients de p doivent être représentables sur un nombre fini donné de bits. Nous proposons un ensemble d'algorithmes (certains sont heuristiques, d'autres rigoureux) pour trouver de très bons polynômes d'approximation répondant à cette contrainte. Ces résultats s'étendent au cas où la fonction d'approximation est une fraction rationnelle. Une fois p trouvé, il faut prouver que l'erreur |p-f| n'excède pas un certain seuil. La nature particulière de la fonction p-f (soustraction de deux fonctions très proches) rend cette propriété difficile à prouver rigoureusement. Nous proposons un algorithme capable de contourner cette difficulté. Tous ces algorithmes ont été intégrés au logiciel Sollya, développé pendant la thèse. À l'origine conçu pour faciliter l'implémentation de fonctions, ce logiciel s'adresse à présent à toute personne souhaitant faire des calculs numériques dans un cadre complètement fiable.

Aujourd'hui encore, certains systèmes embarqués n'intègrent pas leur propre unité flottante, pour des contraintes de surface, de coût et de consommation d'énergie. Cependant, ce type d'architecture est largement utilisé dans des domaines d'application extrêmement exigeants en calculs flottants (le multimédia, l'audio et la vidéo ou les télécommunications). Pour compenser le fait que l'arithmétique flottante ne soit pas implantée en matériel, elle doit être émulée efficacement à travers une implantation logicielle. Cette thèse traite de la conception et de l'implantation d'un support logiciel efficace pour l'arithmétique virgule flottante IEEE 754 aux processeurs entiers embarqués. Plus spécialement, elle propose de nouveaux algorithmes et outils pour la génération efficace de programmes à la fois rapides et certifiés, permettant notamment d'obtenir des codes C de très faibles latences pour l'évaluation polynomiale en arithmétique virgule fixe. Comparés aux implantations complètement écrites à la main, ces outils permettent de réduire de manière significative le temps de développement d'opérateurs flottants. La première partie de la thèse traite de la conception d'algorithmes optimisés pour certains opérateurs flottants en base 2, et donne des détails sur leur implantation logicielle pour le format virgule flottante binary32 et pour certains processeurs VLIW entiers embarqués comme ceux de la famille ST200 de STMicroelectronics. En particulier, nous proposons ici une approche uniforme pour l'implantation correctement arrondie des racines et de leur inverse, ainsi qu'une extension à la division. Notre approche, qui repose sur l'évaluation d'un seul polynôme bivarié, permet d'exprimer un plus haut degré de parallélisme d'instruction (ILP) que les méthodes précédentes, et s'avère particulièrement efficace en pratique. Ces travaux nous ont permis de fournir une version complètement remaniée de la bibliothèque FLIP, entraînant des gains significatifs par rapport à la version précédente. La deuxième partie de la thèse présente une méthodologie pour générer automatiquement et efficacement des codes C rapides et certifiés pour l'évaluation de polynômes bivariés en arithmétique virgule fixe. En particulier, elle consiste en un ensemble d'heuristiques pour calculer des schémas d'évaluation très parallèles et de faible latence, ainsi qu'un ensemble de techniques pour vérifier si ces schémas restent efficaces sur une architecture cible réelle et suffisamment précis pour garantir l'arrondi correct de l'implantation des opérateurs sous-jacente. Cette approche a été implantée dans l'environnement logiciel CGPE (Code Generation for Polynomial Evaluation). Nous avons ainsi utilisé notre outil pour générer et certifier rapidement des parties significatives des codes de la bibliothèque FLIP.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Systèmes industriels : Toulouse, INPT : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 111 réf.

Un logiciel critique est un logiciel dont le mauvais fonctionnement peut avoir un impact important sur la sécurité ou la vie des personnes, des entreprises ou des biens.L'ingénierie logicielle pour les systèmes critiques est particulièrement difficile et combine différentes méthodes pour garantir la qualité des logiciels produits.Parmi celles-ci, les méthodes formelles peuvent être utilisées pour prouver qu'un logiciel respecte ses spécifications.Le travail décrit dans cette thèse s'inscrit dans le contexte de la validation de propriétés de sûreté de programmes critiques, et plus particulièrement des propriétés numériques de logiciels embarqués dans des systèmes de contrôle-commande.La première partie de cette thèse est consacrée aux preuves de stabilité au sens de Lyapunov.Ces preuves s'appuient sur des calculs en nombres réels, et ne sont pas valables pour décrire le comportement d'un programme exécuté sur une plateforme à arithmétique machine.Nous présentons un cadre théorique générique pour adapter les arguments des preuves de stabilité de Lyapunov aux arithmétiques machine.Un outil effectue automatiquement la traduction de la preuve en nombres réels vers une preuve en nombres a virgule flottante.La seconde partie de la thèse porte sur l'analyse des relations affines, en utilisant une interprétation abstraite basée sur l'approximation des valuations associées aux points de contrôle d'un programme par des polyèdres convexes.Nous présentons ALICe, un framework permettant de comparer différentes techniques de génération d'invariants.Il s'accompagne d'une collection de cas de tests tirés de publications sur l'analyse de programmes, et s'interface avec trois outils utilisant différents algorithmes de calcul d'invariants: Aspic, iscc et PIPS.Afin d'affiner les résultats de PIPS, deux techniques de restructuration de code sont introduites, et plusieurs améliorations sont apportées aux algorithmes de génération d'invariants et évaluées à l'aide d'ALICe. / A critical software is a software whose malfunction may result in death or serious injury to people, loss or severe damage to equipment or environmental harm.Software engineering for critical systems is particularly difficult, and combines different methods to ensure the quality of produced software.Among them, formal methods can be used to prove that a software obeys its specifications.This thesis falls within the context of the validation of safety properties for critical software, and more specifically, of numerical properties for embedded software in control-command systems.The first part of this thesis deals with Lyapunov stability proofs.These proofs rely on computations with real numbers, and do not accurately describe the behavior of a program run on a platform with machine arithmetic.We introduce a generic, theoretical framework to adapt the arguments of Lyapunov stability proofs to machine arithmetic.A tool automatically translates the proof on real numbers to a proof with floating-point numbers.The second part of the thesis focuses on linear relation analysis, using an abstract interpretation based on the approximation by convex polyhedrons of valuations associated with each control point in a program.We present ALICe, a framework to compare different invariant generation techniques.It comes with a collection of test cases taken from the program analysis literature, and interfaces with three tools, that rely on different algorithms to compute invariants: Aspic, iscc and PIPS.To refine PIPS results, two code restructuring techniques are introduced, and several improvements are made to the invariant generation algorithms and evaluated using ALICe.

Mes activités de recherche se situent dans le domaine de l'implantation efficace d'applications de traitement du signal et de l'image (TDSI) au sein de systèmes embarqués. Face à la complexité grandissante des applications implantées au sein des systèmes embarqués, et face à la nécessité de réduire les temps de mise sur le marché, des méthodes et les outils associés sont nécessaires pour automatiser le processus d'implantation de ces applications sur des plateformes embarquées. A l'interface entre les phases de conception des algorithmes de TDSI et d'implantation au sein des systèmes embarqués, la conversion en virgule fixe reste une tache longue, fastidieuse et source d'erreurs. L'objectif de nos travaux de recherche est de proposer une méthodologie efficace de conversion automatique en virgule fixe et de développer les outils associés. De plus, la mise en œuvre de techniques permettant d'optimiser l'implantation d'applications au sein de systèmes embarqués a été étudiée. Plus particulièrement, les applications de communication numérique, les aspects énergétiques et la représentation optimisée des données en virgule fixe ont été considérés. Dans le processus de conversion en virgule fixe, l'évaluation des effets de la précision finie sur les performances de l'application est l'un des problèmes majeurs. Différents travaux de recherche ont permis de définir une approche analytique d'évaluation de la précision basée sur la théorie de la perturbation. Cette approche détermine l'expression de la puissance du bruit de quantification pour les systèmes composés d'opérations dont le modèle de bruit peut être linéarisé. Pour traiter les systèmes intégrant des opérations dont le modèle de bruit n'est pas linéaire, une approche mixte combinant simulation et méthodes analytiques a été proposée. Différentes contributions pour l'automatisation du processus de conversion en virgule fixe ont été proposées. Elles concernent l'évaluation de la dynamique à travers des approches stochastiques, l'optimisation de la largeur des données dans le cas de la synthèse d'architectures et la définition d'une approche hiérarchique pour traiter des systèmes complexes. Une infrastructure logicielle a été développée pour réaliser la conversion en virgule fixe et évaluer efficacement la précision des calculs. Différents travaux ont été conduits sur l'implantation d'applications de communication numérique au sein de systèmes embarqués et sur la génération de blocs matériels dédiés. De plus, le concept d'adaptation dynamique de la précision a été proposé et une architecture reconfigurable et flexible, supportant l'ADP, a été développée.

Sur des architectures récentes, un programme numérique peut donner des réponses différentes en fonction du hardware et du compilateur. Ces incohérences des résultats viennent du fait que chaque calcul en virgule flottante est effectué avec des précisions différentes. Le but de cette thèse est de prouver formellement des propriétés des programmes opérant sur des nombres flottants en prenant en compte l’architecture et le compilateur. Pour le faire, nous avons proposé deux approches différentes. La première approche est de prouver des propriétés des programmes en virgule flottante qui sont vraies sur plusieurs architectures et compilateurs. Cette approche ne considère que les erreurs d’arrondi qui doivent être validées quels que soient l’environnement matériel et le choix du compilateur. Elle est implantée dans la plate-forme Frama-C pour l’analyse statique de code C. La deuxième approche consiste à prouver des propriétés des programmes en analysant leur code assembleur. Nous nous concentrons sur des problèmes et des pièges qui apparaissent sur des calculs en virgule flottante. L’analyse directe du code assembleur nous permet de considérer des caratéristiques dépendant de l’architecture ou du compilateur telle que l’utilisation des registres en précision étendue. Cette approche est implantée comme une sur-couche de la plate-forme Why pour la vérification déductive. / On some recently developed architectures, a numerical program may give different answers depending on the execution hardware and the compilation. These discrepancies of the results come from the fact that each floating-point computation is calculated with different precisions. The goal of this thesis is to formally prove properties about numerical programs while taking the architecture and the compiler into account. In order to do that, we propose two different approaches. The first approach is to prove properties of floating-point programs that are true for multiple architectures and compilers. This approach states the rounding error of each floating-point computation whatever the environment and the compiler choices. It is implemented in the Frama-C platform for static analysis of C code. The second approach is to prove behavioral properties of numerical programs by analyzing their compiled assembly code. We focus on the issues and traps that may arise on floating-point computations. Direct analysis of the assembly code allows us to take into account architecture- or compiler-dependent features such as the possible use of extended precision registers. It is implemented above the Why platform for deductive verification