手搓20颗芯片｜专栏开篇：从0到1搭建芯片设计与UVM验证体系
大家好，我是立志要手搓20颗芯片的斌子。如果你和我一样，学芯片设计时总卡在“理论懂了但没处练手”“想做项目却不知道从哪起步”，或者刚接触UVM验证就被“driver/monitor/scoreboard”绕晕——那这个“手搓20颗芯片”专栏，就是为你量身打造的。
没有复杂的理论堆砌，也不搞“空中楼阁”式的方案，我们从最基础的“加减单元”开始，一步步攒出能跑通的“完整SoC”，每颗芯片都附带可复现的RTL代码、UVM验证环境和仿真踩坑记录。今天这篇，就先把整个计划的“路线图”讲清楚。 一、为什么要“手搓20颗芯片”？
做这个计划的核心原因，是我发现很多人学IC设计时会陷入两个误区： 1. “只学语法，不练模块”：会写Verilog语法，但拿到“做一个乘法器/PCIe接口”的需求时，还是不知道从哪下手；2. “验证脱节，做完就扔”：设计完模块只跑个简单testbench，既不覆盖边界场景，也不搭UVM环境——但工业界里，验证的工作量往往是设计的2~3倍。
所以这20颗芯片的核心逻辑是：“设计+验证”双主线并行，前一颗芯片的成果，是后一颗的基础。比如我们先做“4位计数器”，后面“定时器”“CPU的PC寄存器”都能复用它的逻辑；先搭“SPI接口的UVM环境”，后面“PCIe/USB”的验证框架直接套模板改。 二、20颗芯片的“三步走”路线图 整个计划分3个阶段，难度从“入门练手”到“系统整合”逐步提升，每颗芯片都有明确的“设计目标”和“验证重点”。
阶段1：基础练手（Chip 1~5） ——搞定“最小功能单元” 目标：掌握芯片设计的“原子模块”，同时搭建UVM验证的“最小闭环”（能发激励、采数据、判对错）。 - Chip1：可配置位宽加减单元设计：支持8/16/32位加法/减法，含溢出判断；验证：用UVM覆盖“全位宽+正负数值+溢出场景”，练手transaction/driver/scoreboard 基础框架。- Chip2：多位数乘法器设计：解决“位宽拓展”问题（比如8位×8位输出16位），附带溢出标志；验证：重点测“最大数值相乘”“零值相乘”等边界，练手UVM的 constraint 约束激励。- Chip3：除法器（商+余数输出）设计：用“迭代法”实现（避免长除法的时序问题），支持无符号数除法；验证：对比“RTL输出”和“C模型计算结果”，练手UVM的“参考模型”搭建。- Chip4：寄存器组+FIFO设计：8个32位寄存器（支持读写）+ 深度16的FIFO（含空满标志）；验证：测FIFO的“读写同步/异步”“空满误判”，练手UVM的 sequence 生成复杂激励。- Chip5：SPI/I2C接口（主从模式）设计：实现SPI的CPOL/CPHA配置、I2C的从机地址匹配+ACK应答；验证：用UVM的 monitor 抓协议时序，对比SPI/I2C协议规范，练手“协议级验证”。 阶段2：核心模块复用（Chip 6~12）——从“单元”到“组件” 目标：基于阶段1的基础模块，搭建芯片的“核心功能组件”，验证升级到“协议合规+性能指标”。 - Chip6：UART/PCIe Lite接口复用：用Chip5的“串行协议逻辑”+ Chip4的FIFO做数据缓冲；验证：测UART的“波特率偏差容忍”、PCIe Lite的“TLP包解析”，练手高速接口的“时序收敛”。- Chip7：定时器+中断控制器复用：用Chip1的计数器做定时逻辑+ Chip4的寄存器组存中断配置；验证：测“多通道中断并发”“中断嵌套”，练手UVM的“中断响应时序检查”。- Chip8：DDR/LPDDR内存控制器复用：用Chip4的FIFO做数据缓存+ Chip7的定时器做刷新周期控制；验证：测DDR的“DQS与DQ相位对齐”“读写带宽”，练手JEDEC协议的合规性验证。- Chip9：DMA引擎复用：用Chip8的内存控制器做地址访问+ Chip4的FIFO做数据搬运缓冲；验证：测“多事务并行搬运”“带宽瓶颈”，练手UVM的“性能指标统计”。- Chip10：简易RISC CPU核复用：用Chip1~3的加减乘除做ALU+ Chip4的寄存器组做通用寄存器；验证：测“指令集覆盖率”（如ADD/SUB/JMP）、“流水线冲突”，练手CPU的“功能完整性验证”。- Chip11：简易GPU/SIMD单元复用：用Chip2的乘法器做向量运算+ Chip4的寄存器组存向量数据；验证：测“向量并行计算效率”，练手并行模块的“数据依赖检查”。- Chip12：简易NPU/矩阵乘法单元复用：用Chip2的乘法器+ Chip1的加法器做“乘加树”；验证：测“矩阵计算精度”“大矩阵吞吐量”，练手AI加速器的“精度验证”。 阶段3：系统整合（Chip 13~20）——攒出“完整SoC” 目标：把前12颗芯片的组件互联，搭建包含“CPU+GPU+NPU+外设”的SoC，验证升级到“系统级集成”。 - Chip13：高速外设控制器（PCIe/USB/Ethernet）复用：Chip6的PCIe Lite逻辑+ Chip9的DMA做数据搬运；验证：测“多外设并发访问”“协议兼容性”，练手SoC的“外设集成验证”。- Chip14：高级内存控制器+Cache复用：Chip8的DDR控制器+ Chip4的寄存器组做Cache标签；验证：测“Cache命中率”“一致性协议”，练手内存子系统的“性能优化验证”。- Chip15：中断与功耗管理单元复用：Chip7的中断控制器+ Chip4的寄存器组做功耗配置；验证：测“低功耗模式切换时序”“中断延迟”，练手SoC的“低功耗验证”。- Chip16：SoC互联总线（AMBA Fabric）复用：Chip6/13的接口协议+ Chip4的FIFO做总线缓冲；验证：测“总线仲裁公平性”“事务带宽”，练手片上网络的“互联验证”。- Chip1719：完整GPU/NPU/CPU核复用：Chip1112的简易单元+ Chip14的Cache+ Chip16的总线；验证：测“多核并发性能”“GPU渲染效率”“NPU推理精度”，练手核心组件的“升级验证”。- Chip20：完整SoC整合最终形态：CPU（2核）+ GPU（简易渲染）+ NPU（卷积加速）+ DDR控制器+ PCIe/USB外设；验证：测“系统级功耗”“端到端性能”（如用NPU跑MNIST推理），完成从“模块”到“系统”的闭环。 三、专栏每篇文章会包含什么？ 不搞“光说不练”，每颗芯片的文章都会有4个核心部分： 1. 设计思路：为什么这么做？比如“除法器选迭代法而不是长除法”的原因，时序和面积的权衡；2. RTL代码实现：完整可编译的代码，关键模块加注释（比如FIFO的空满判断逻辑）；3. UVM验证环境：从 interface 到 scoreboard 的完整代码，附带 sequence 激励示例；4. 仿真结果与踩坑记录：贴仿真日志（功能对不对、覆盖率多少），以及我遇到的问题（比如“UVM的analysis_port没连接导致scoreboard收不到数据”）。 四、适合谁看？ - 刚入门IC设计/验证，想找“循序渐进的实践项目”的学生；- 做嵌入式/FPGA，想转芯片设计，需要补“RTL模块设计”的工程师；- 刚接触UVM，想通过“实际项目”理解验证框架的新手。 最后：一起动手，拒绝“躺平式学习” 从下一篇开始，我们就从“Chip1：可配置位宽加减单元”入手，先搭最简单的RTL，再一步步建UVM环境。如果你有想看的模块（比如想先学FIFO而不是加减单元），或者有疑问，都可以在评论区留言——这个专栏不是我一个人的“自嗨”，而是咱们一起推进的“芯片实践计划”。 关注专栏，咱们一起把这20颗芯片“搓”出来，从“会写代码”变成“能做项目”！