12-EFT.WP.Methods.Repro v1.0 | 第6章 时基与随机性控制

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第6章 时基与随机性控制

I. 范围与目标

1. 本章建立时基对齐与随机性控制的统一口径，覆盖 tau_mono ↔ ts 的标定、抖动/漂移的可观测化、随机数生成与播种策略、非确定性算子屏蔽，以及与 TS.* 观测字段的对接。
2. 目标包括：
   • 给出 alpha,beta 的估计与置信度口径，使跨设备/线程/后端下的事件时间对齐满足 ts = alpha + beta * tau_mono。
   • 形成可审计的随机源策略（rng_family, seed, stream_id），并定义跨线程/分布式的稳定播种函数。
   • 定义抖动谱 S_tt(f) 与时间域指标的互证关系，建立门限与告警。
   • 枚举并屏蔽非确定性算子，保障重放方差与谱一致性门限通过。

II. 术语与符号

1. 时基与拟合
   • tau_mono：单调时基（单调递增计时器）。
   • ts：对外发布时基。
   • alpha,beta：线性映射参数，ts = alpha + beta * tau_mono。
   • r_tb：时基拟合残差的统计量，如 r_tb = rms( ts - ( alpha + beta * tau_mono ) )。
   • 权重 w_k：样本加权因子。
2. 随机性与播种
   • rng_family ∈ { mt19937 , pcg32 , xoshiro , philox , threefry , system }。
   • seed：全局播种值。
   • stream_id：线程/进程/设备流标识。
   • H( · )：抗碰撞哈希/派生函数，用于派生局部种子。
   • seed_thread = H( seed_global , rank , device_id , thread_id , op_scope )。
3. 抖动与谱
   • S_tt(f)：时间戳序列的功率谱密度。
   • U_w：窗口函数能量。
   • ENBW：等效噪声带宽。
   • jitter_rms：抖动均方根。
   • drift_ppm：长期频偏（百万分率）。
4. 一致性与门限
   • delta_rep = ( norm( y_new - y_ref ) / max( norm( y_ref ), eps_floor ) )。
   • R_coef = 1 - delta_rep。
   • delta_psd：谱差异度量，如 L2 距离或带权 KL。
   • 门限占位：tau_tb（时基拟合门）、tau_jitter、tau_psd、tau_seed.

III. 公设与最小方程

• P31-9 时基可线性对齐公设
  在稳定温湿/供电与恒定采样链下，存在 alpha,beta 使 ts ≈ alpha + beta * tau_mono，并满足 r_tb <= tau_tb；跨设备比较前必须完成此映射。
• P31-10 抖动分解公设
  短期抖动与长期漂移可在分频带上分解：S_tt(f) = S_short(f) + S_long(f)，其中 S_long(f) 主导低频（漂移），S_short(f) 主导中高频（抖动）。
• P31-11 随机流确定性公设
  在固定 rng_family 与 seed_thread 生成规则下，同一 stream_id 的样本序列在相同 EnvLock 与相同算子序条件下分布一致。
• P31-12 非确定性算子屏蔽公设
  若固定归约顺序、禁用非确定性内核并锁定并行调度，重放方差满足 var_run <= tau_var，且 ( delta_psd | strict_det ) <= ( delta_psd | relaxed )。
• S32-12 时基拟合最小二乘
  min_{alpha,beta} ( ∑_k w_k * ( ts_k - ( alpha + beta * tau_mono_k ) )^2 )，给出 ( alpha , beta ) 及协方差 cov( alpha , beta )。
• S32-13 抖动能量与方差互证
  jitter_rms^2 ≈ ( ∫ S_tt(f) df )；窗口修正 jitter_rms^2 ≈ ( 1 / U_w ) * ( ∫ S_tt(f) df )，并标注 ENBW。
• S32-14 播种派生函数
  seed_thread = H( seed , rank , device_id , thread_id , op_scope )；H 要求抗碰撞、稳定、跨语言一致。
• S32-15 非确定性探针检验
  在固定 seed 与 EnvLock 下重跑 N 次，var_run = var( y^{(k)} )，通过门 var_run <= tau_var；否则标记 E_NONDETERMINISM。
• S32-16 漂移估计
  drift_ppm ≈ ( 10^6 ) * ( d/dt ) ( beta - 1 )，以滑动窗口线性拟合 beta(t) 得到。

IV. 数据与清单口径

1. 采集窗口与同步
   • 明确采样窗口 t ∈ [t0 , t1]、同步源（GPS/PTP/本地）、对齐基准（参考设备/基准线程）。
   • 入湖字段：alpha，beta，cov_alpha_beta，r_tb，U_w，ENBW，jitter_rms，drift_ppm，rng_family，seed，seed_policy，H.name，H.version，stream_id_schema。
2. 口径声明
   明示窗口、滤波器、窗型与参数；抖动谱的频带划分与门限；声明是否执行了两口径到达时计算 T_arr = ( 1 / c_ref ) * ( ∫ n_eff d ell ) 与 T_arr = ( ∫ ( n_eff / c_ref ) d ell )，以及 delta_form（若适用）。
3. 追溯要求
   随机流清单需记录每个 op_scope 的 stream_id 与派生 seed_thread；重放时据此逐操作恢复随机状态。

V. 算法与实现绑定

1. I30-6 align_timebase(trace:any, reference:any) -> {alpha:float, beta:float, fit:dict}
   • 从 trace 与 reference 提取时间标识对 ( tau_mono_k , ts_k )，剔除离群点。
   • 以 S32-12 最小二乘估计 ( alpha , beta ) 与 cov，计算 r_tb 与置信区间。
   • 输出 fit = {r_tb:float, cov:[[..]], n:int, window:[t0,t1]}。
2. I30-8 set_rng_policy(rng_family:str, seed:int, stream_schema:dict) -> dict
   • 固定 rng_family 与全局 seed，定义 H 与 stream_id 组成。
   • 为每个 ( rank , device_id , thread_id , op_scope ) 生成 seed_thread（S32-14）。
   • 返回 policy 并在日志与入湖清单中落地。
3. I30-9 shield_nondet_ops(plan:list) -> dict
   • 扫描算子图，标记非确定性归约、原子操作、非稳定排序与未固定并行度的内核。
   • 应用屏蔽规则：固定归约顺序、替换确定性内核、关闭非确定性优化、固定 threads/affinity。
   • 生成 plan.report，记录被改写的算子与代价评估。
4. I30-10 estimate_time_jitter(trace:any, window:dict) -> {S_tt:any, jitter_rms:float, drift_ppm:float}
   • 按 window 计算 S_tt(f)（窗口 U_w 与 ENBW 明示）。
   • 由 S32-13 得 jitter_rms，由 S32-16 得 drift_ppm。
   • 返回谱、指标与门限判定。
5. I30-7 compare_psd(x:any, y:any, window:dict) -> {delta_psd:float, pass:bool}
   复用于谱一致性门限与回归比较（见第8章）。

VI. 计量流程与运行图

1. Mx-35 timebase-fit
   • 采集 ( tau_mono , ts ) 样本并去噪。
   • 调用 align_timebase，产出 alpha,beta,r_tb；若 r_tb > tau_tb，告警 TS.alert.timebase_fit_fail 并回退。
2. Mx-36 rng-lock
   • 调用 set_rng_policy 固定 rng_family, seed 与 seed_thread。
   • 用小型随机一致性用例重放 3 次，var_run <= tau_var 方可继续。
3. Mx-37 jitter-psd-cal
   • 调用 estimate_time_jitter，产出 S_tt(f), jitter_rms, drift_ppm。
   • 若 jitter_rms > tau_jitter 或 |drift_ppm| 超门，标记 E_TIMEBASE_SKEW。
4. Mx-38 nondet-shield-verify
   • 执行 shield_nondet_ops 并记录代价。
   • 基于金标输出运行 N 次，验证 var_run 与 delta_psd 门限；失败则回退或切换 release.channel 至 canary。

VII. 验证与测试矩阵

1. 时基对齐
   • 不同负载与温度档位下重复 Mx-35，验证 alpha,beta 稳定性；max |Δbeta| <= tau_tb_drift。
   • 跨设备互校：设备 A 拟合得的 ( alpha , beta ) 套用到设备 B 的 tau_mono，对齐残差不劣于各自本地拟合的 1.5 倍。
2. 随机性控制
   • 多进程/多线程/多设备联合重放，seed_thread 无碰撞：collision_rate ≈ 0 于样本上限。
   • 统计检验：同一 stream_id 的样本分布跨重跑 KS_pvalue >= p_min。
3. 抖动与谱
   • 变更窗口/窗型不应改变 jitter_rms 超过 tau_window_bias。
   • compare_psd 对基线：delta_psd <= tau_psd。
4. 非确定性屏蔽
   归约/排序/原子路径替换后，delta_rep 与 var_run 降至门限内；并记录性能回退不超过 tau_perf_penalty。

VIII. 交叉引用与依赖

• 《Core.Sea》：时基定义、到达时两口径、跨设备时基映射与对齐程序。
• 《Core.Metrology》：谱估计口径 S_xx(f)、U_w、ENBW 与不确定度评估。
• 《Core.Threads》：TS.* 观测字段、hb、bp、调度与限流策略；跨线程因果保持。
• 第3章：delta_rep、R_coef、谱-方差互证；第5章：EnvLock、非确定性探针与回退；第8章：评分合成与门限。

IX. 风险、限制与开放问题

1. 风险
   • 计时源混用（TSC/HPET/OS Clock）导致隐式非线性映射，线性拟合残差升高。
   • 分布式系统中的网络时钟回拨/跳变造成明显 S_tt(f) 低频异常峰。
   • 库内部隐式随机性（如数据增强、Dropout 未接入统一播种）破坏 seed_policy。
2. 限制
   • GPU 原子与非稳定排序的确定性模式存在显著性能代价；在高吞吐通道需折中。
   • 某些平台的浮点异常处理（denorm）与 ftz/daz 策略不可完全控制。
3. 开放问题
   • 自适应门限：依据实时 S_tt(f) 形态与温度/功耗自调 tau_tb,tau_jitter。
   • 面向长周期任务的 beta(t) 非线性漂移建模与补偿。
   • 跨语言 H 的一致性基准与标准化实现。

X. 交付件与版本管理

1. 产出件
   • timebase.fit.json：alpha,beta,cov,r_tb,window 与拟合质量。
   • rng.policy.json：rng_family, seed, H, stream_id_schema 与碰撞评估。
   • jitter.report.json：S_tt(f)@window , jitter_rms , drift_ppm , U_w , ENBW , delta_psd。
   • shield.plan.json：非确定性算子列表、替代实现与性能影响。
2. 版本管理
   • rng.policy 与 timebase.fit 的 schema.version 与 EnvLock 同步；MAJOR 变更需双跑比对报告与回退剧本。
   • 发布包必须包含本章产物的签名与 fingerprint，并在 release.channel 流程中执行 Mx-35 → Mx-38 全链验证。