Verified compilation and optimization of floating-point kernels

Abstract

When verifying safety-critical code on the level of source code, we trust the compiler to produce machine code that preserves the behavior of the source code. Trusting a verified compiler is easy. A rigorous machine-checked proof shows that the compiler correctly translates source code into machine code. Modern verified compilers (e.g. CompCert and CakeML) have rich input languages, but only rudimentary support for floating-point arithmetic. In fact, state-of-the-art verified compilers only implement and verify an inflexible one-to-one translation from floating-point source code to machine code. This translation completely ignores that floating-point arithmetic is actually a discrete representation of the continuous real numbers. This thesis presents two extensions improving floating-point arithmetic in CakeML. First, the thesis demonstrates verified compilation of elementary functions to floating-point code in: Dandelion, an automatic verifier for polynomial approximations of elementary functions; and libmGen, a proof-producing compiler relating floating-point machine code to the implemented real-numbered elementary function. Second, the thesis demonstrates verified optimization of floating-point code in: Icing, a floating-point language extending standard floating-point arithmetic with optimizations similar to those used by unverified compilers, like GCC and LLVM; and RealCake, an extension of CakeML with Icing into the first fully verified optimizing compiler for floating-point arithmetic.

Bei der Verifizierung von sicherheitsrelevantem Quellcode vertrauen wir dem Compiler, dass er Maschinencode ausgibt, der sich wie der Quellcode verhält. Man kann ohne weiteres einem verifizierten Compiler vertrauen. Ein rigoroser maschinen-ü}berprüfter Beweis zeigt, dass der Compiler Quellcode in korrekten Maschinencode übersetzt. Moderne verifizierte Compiler (z.B. CompCert und CakeML) haben komplizierte Eingabesprachen, aber unterstützen Gleitkommaarithmetik nur rudimentär. De facto implementieren und verifizieren hochmoderne verifizierte Compiler für Gleitkommaarithmetik nur eine starre eins-zu-eins Übersetzung von Quell- zu Maschinencode. Diese Übersetzung ignoriert vollständig, dass Gleitkommaarithmetik eigentlich eine diskrete Repräsentation der kontinuierlichen reellen Zahlen ist. Diese Dissertation präsentiert zwei Erweiterungen die Gleitkommaarithmetik in CakeML verbessern. Zuerst demonstriert die Dissertation verifizierte Übersetzung von elementaren Funktionen in Gleitkommacode mit: Dandelion, einem automatischen Verifizierer für Polynomapproximierungen von elementaren Funktionen; und libmGen, einen Beweis-erzeugenden Compiler der Gleitkommacode in Relation mit der implementierten elementaren Funktion setzt. Dann demonstriert die Dissertation verifizierte Optimierung von Gleitkommacode mit: Icing, einer Gleitkommasprache die Gleitkommaarithmetik mit Optimierungen erweitert die ähnlich zu denen in unverifizierten Compilern, wie GCC und LLVM, sind; und RealCake, eine Erweiterung von CakeML mit Icing als der erste vollverifizierte Compiler für Gleitkommaarithmetik.