《IC驗證必看｜隨機穩定性 / 再現性》

同一用例 A 機 pass、B 機 fail？——SystemVerilog 隨機穩定性 / 可復現性全攻略（含代碼與排查清單）

你該到什么水平？（對標 20k / 25k / 30k）

20k（入門會用）
會 randomize()、$urandom()/$urandom_range()；知道用命令行傳種子并打印出來，能按相同 seed 重跑。
25k（合格能排）
理解線程/對象本地 RNG（thread/object-local）；知道實例化順序會改變隨機序列；會用 srandom()、get_randstate()/set_randstate() 做局部鎖定；能把失敗縮到最小復現場景。
30k（精通可控）
熟悉 UVM seeding 策略與覆蓋帶來的創建順序變化；能區分“偽隨機問題”與真正根因（race、未初始化、并發調度差異、求解器差異…）；能把不穩定 test 變成穩定回歸或可控 fuzz。

1. 基礎概念：為什么會“同一 test 不同機結果不同”

SystemVerilog 的隨機來源分兩類：

函數式隨機：$urandom() / $urandom_range()
約束隨機：obj.randomize() / std::randomize()（走約束求解器）

二者都依賴初始種子；同時 SystemVerilog 規定 RNG 對線程/對象是局部的。任何會改變“對象/線程創建順序”的因素（并發、延時、代碼插樁、工廠覆蓋、條件編譯…）都會改變后續的隨機流，從而出現：

A 機 pass、B 機 fail
本機同命令偶發 pass/fail（不穩定 test）

關鍵：給定同一個初始種子，還必須保證相同的對象/線程創建順序，隨機序列才真正可復現。

2. 最常見的 8 類原因（從高到低優先級）

初始種子不同或未記錄（最常見）
仿真器/版本/編譯或運行選項不同
未初始化/X 傳播導致“隨機”行為
并發/多核調度使創建順序不同（影響對象/線程本地 RNG）
插入了調試/日志代碼改變執行與創建順序
UVM 自動 reseed 策略 + 層次名變化（覆蓋/重構引入）
不同仿真器的約束求解器/RNG 實現差異
外部副作用（文件、時間、環境變量、壁鐘時間做種子等）

3. 必會：統一打印并回放 seed（模板）

3.1 Testbench：讀取 `+SEED=`，若未給則生成并打印

// seed_bootstrap.sv（可直接 `include`）
package seed_pkg;int unsigned g_seed;function void seed_setup();if (!$value$plusargs("SEED=%0d", g_seed)) begin// 若仿真器支持，可打印其初始種子；不支持就用 $urandom() 兜底`ifdef HAS_GET_INITIAL_RANDOM_SEEDint unsigned sim_seed = $get_initial_random_seed();$display("[SEED] Simulator initial seed: %0d", sim_seed);`endifg_seed = $urandom(); // 兜底$display("[SEED] No +SEED passed. Using g_seed=%0d (remember this!).", g_seed);end else begin$display("[SEED] Using +SEED=%0d", g_seed);endendfunction
endpackagemodule tb;import seed_pkg::*;initial beginseed_setup();// 可選：把關鍵線程/對象的 RNG 顯式指向 g_seed（局部鎖定）// this.srandom(g_seed);// 演示輸出repeat (5) $display("[SEED] urandom=%0d", $urandom());$finish;end
endmodule

3.2 常見仿真器傳參（統一到一套腳本里）

仿真器	運行時傳種子（示例）
Synopsys VCS	`./simv +ntb_random_seed=123456`（也可統一用 `+SEED=...` 自己處理）
Siemens Questa/Modelsim	`vsim -sv_seed 123456`（也可加 `+SEED=` 自己處理）
Cadence Xcelium (xrun/irun)	`xrun -svseed 123456`（版本命名略異，可查本地 `xrun -help`）
Aldec Riviera	常見為 `-sv_seed` 或 `-seed`（視版本）

建議：團隊統一一個 plusarg（如 +SEED=），由 testbench 自行處理；同時 CI 強制把 seed 寫入日志/報告。

4. 最小可復現示例（3 段代碼看懂“順序改變 → 隨機漂移”）

4.1 對象創建順序改變 → 隨機序列變化

class A;rand int x;function void show(string tag); $display("%s x=%0d", tag, x); endfunction
endclassmodule demo_order;A a1, a2;initial beginvoid'(std::randomize()); // 觸發一次隨機，模擬環境“噪聲”a1 = new(); a1.randomize(); a1.show("a1");a2 = new(); a2.randomize(); a2.show("a2");$finish;end
endmodule

把 void'(std::randomize()); 注釋/取消注釋、或在 a1 與 a2 之間插入任何新對象創建/日志語句，你會發現 a1/a2 的數值對調或變化 —— 這就是創建順序在影響 RNG。

4.2 線程本地 RNG：兩個并發進程的相互影響

module demo_thread_rng;initial forkbegin : T1repeat (3) $display("T1 urnd=%0d", $urandom()); // 線程1endbegin : T2#1; // 輕微相位差repeat (3) $display("T2 urnd=%0d", $urandom()); // 線程2endjoininitial $finish;
endmodule

改變 #1 或插入別的并發塊，就能導致兩個線程的隨機流互相錯位。

4.3 `$urandom(seed)` 的“坑”

module demo_urandom_seed_pit;initial begin$display("A=%0d", $urandom());$display("B=%0d", $urandom(123)); // 重新播種，立刻返回一個與 123 綁定的值$display("C=%0d", $urandom());    // 注意：此后隨機序列都被影響$finish;end
endmodule

在生產代碼中隨意 $urandom(seed)，會把當前 RNG 狀態改寫；不同位置/時機調用會帶來不可預期的全局影響。

5. 真·工程排查流程（A 機 pass、B 機 fail）

目標：先變“穩定復現”，再做最小化，最后定位真正根因。

先拿全量信息：編譯/運行命令、仿真器版本、OS/CPU、并發核數、回歸平臺配置。
從失敗日志抓 seed：沒有就先把本次日志與工單固化，之后統一強制打印。
在 B 機原樣重跑：確保同版本/同選項/同 seed。能復現 → 繼續；不能復現 → 環境差異。
降并行：如 -j1/單核運行或關閉多核仿真，排除調度造成的順序變化。
打開更多日志與波形：打印關鍵對象/事務的創建時間與層次名（get_full_name()），并 dump 關鍵接口波形。
二分法最小化：減少 sequences/feature，縮到最小 transaction 能復現的用例。
檢查 X / 未初始化：打開 x-propagation、初值檢查；X 往往是“偽隨機”背后真根因。
核對 UVM 覆蓋/工廠替換：覆蓋改變了類/組件的創建路徑，從而改變 UVM 的自動 seeding 與 RNG 順序。
跨仿真器差異：若只在某工具 fail，考慮求解器差異；用確定性數據（禁用約束隨機）驗證 DUT 是否真的有問題。
記錄根因：把 seed、環境、最小 case、根因類型寫入 Wiki/工單，納入不穩定 test 清單。

6. 可控隨機：鎖定/隔離技巧

對象/線程局部播種：
在關鍵線程/對象構造后立刻 srandom(g_seed)，確保它不受全局順序波動影響。
保存/恢復 RNG 狀態：
調試時插入額外 randomize()/日志會改變隨機流。用 get_randstate() / set_randstate() 在進入/退出調試段前后保存/恢復。
禁用 $urandom(seed) 濫用：
只在明確定義的初始化階段調用，且有注釋與審閱。
把“復雜約束”做成可降級策略：
提供命令行開關切換“穩定/簡化約束模式”，用于回歸或跨工具對比。
UVM 環境的順序穩定：
- 統一在 build_phase 中完成 create；
- 覆蓋在目標 create 前完成（通常 test.build_phase() 開頭、super.build_phase() 之前）；
- 打印 uvm_factory::get().print() 驗證覆蓋是否如預期；
- 少量 debug 代碼用 ifdef DEBUG 包住，并配合 randstate 保存/恢復。

7. UVM 場景化模板（可直接套用）

7.1 在 test 頂層鎖定策略 + 打印 seed

class my_test extends uvm_test;`uvm_component_utils(my_test)function new(string n, uvm_component p); super.new(n,p); endfunctionvirtual function void build_phase(uvm_phase phase);// 1) 讀取/打印/固定 seed（見上文 seed_pkg），并在需要的地方 srandom()// 2) 如需工廠覆蓋，務必在 create 之前：// base_driver::type_id::set_type_override(enhanced_driver::get_type());super.build_phase(phase);// 3) 創建 envenv = my_env::type_id::create("env", this);endfunctionvirtual function void end_of_elaboration_phase(uvm_phase phase);uvm_factory::get().print(); // 確認覆蓋，避免“覆蓋太晚”endfunction
endclass

7.2 對象創建/順序追蹤（調試時打開）

`define TRACE_CREATE(obj, tag) \$display("[%0t] CREATE %s : %s", $time, tag, obj.get_full_name());function void my_env::build_phase(uvm_phase phase);super.build_phase(phase);agent0 = my_agent::type_id::create("agent0", this); `TRACE_CREATE(agent0,"agent0")agent1 = my_agent::type_id::create("agent1", this); `TRACE_CREATE(agent1,"agent1")
endfunction

8. CI/回歸落地：三件硬性規定

所有回歸統一 +SEED= 或工具 seed，并把 seed、仿真命令、工具版本寫入報告。
失敗自動重跑同 seed；仍失敗則收斂最小 case后建工單。
維護“不穩定用例”清單：注明根因（順序敏感/求解器差異/未初始化），并給出可操作的整改計劃（鎖定/降級/改約束/修 DUT）。

示例：shell 腳本生成 seed 并保存日志

#!/usr/bin/env bash
set -e
SEED=$(date +%s)   # 也可 /dev/urandom 取整
LOGDIR=logs/$(date +%F_%H%M%S)_seed${SEED}
mkdir -p "$LOGDIR"echo "[RUN] SEED=$SEED" | tee "$LOGDIR/run.txt"
# 你的編譯命令……
# 你的運行命令（示例 VCS）：
./simv +SEED=${SEED} +ntb_random_seed=${SEED} | tee "$LOGDIR/sim.log"