IC设计版图中GDS2文件格式详解

版图中GDS2文件格式详解

目录

  1. 什么是GDS2文件？
  2. GDS2文件的历史与发展
  3. GDS2文件的结构解析
  4. GDS2文件的核心元素
  5. GDS2 vs. OASIS: 核心差异
  6. 如何生成与查看GDS2文件？
  7. GDS2文件的局限性
  8. 应用场景
  9. 总结

什么是GDS2文件？

GDS2（Graphic Data System II）是一种用于集成电路（IC）设计和版图数据的二进制文件格式。它是GDS格式的第二个版本，由Calma公司在20世纪70年代开发，现已成为半导体行业中最广泛使用的版图数据交换标准之一。

GDS2文件主要用于描述芯片的物理布局信息，包括几何图形、层次结构、文本标注等。

GDS2文件的历史与发展

  • 1970年代：GDS格式由Calma公司开发，用于其版图设计系统。
  • 1980年代：GDS2成为行业标准，广泛应用于IC设计和制造。
  • 2000年代：OASIS格式出现，试图替代GDS2，但GDS2因其成熟性和广泛支持仍占据主导地位。
  • 至今：GDS2仍然是半导体行业中最常用的版图数据格式之一。

GDS2文件的结构解析

GDS2文件是一种二进制文件，由一系列记录（Records）组成。每个记录包含以下部分：

  • 记录头：2字节，表示记录类型。
  • 记录长度：2字节，表示记录的总长度。
  • 记录内容：可变长度，包含具体数据。

主要记录类型

  1. HEADER：文件头，包含版本信息。
  2. BGNLIB：库开始标记，包含创建和修改时间。
  3. LIBNAME：库名称。
  4. UNITS：定义用户单位与数据库单位的比例。
  5. STRUCT：结构定义开始。
  6. SNAME：结构名称。
  7. BOUNDARY：几何图形（多边形）定义。
  8. PATH：路径定义。
  9. TEXT：文本标注。
  10. ENDLIB：库结束标记。
    以下为test.gds案例 ，详细解释每个字段含义
hexdump -C test.gds
00000000  00 06 00 02 00 05 |00 1c  01 02 00 7d 00 02 00 06  |...........}....|
00000010  00 0e 00 09 00 2d 00 7d  00 02 00 06 00 0e 00 09  |.....-.}........|
00000020  00 33 |00 08 02 06 74 65  73 74 |00 14 03 05 3e 41  |.3....test....>A|
00000030  89 37 4b c6 a7 f0 39 44  b8 2f a0 9b 5a 54| 00 1c  |.7K...9D./..ZT..|
00000040  05 02 00 7d 00 02 00 06  00 0d 00 36 00 00 00 7d  |...}.......6...}|
00000050  00 02 00 06 00 0e 00 09  00 2d | 00 08 06 06 74 65  |.........-....te|
00000060  73 74 |00 04 08 00 |00 06  0d 02 00 00 |00 06 0e 02  |st..............|
00000070  00 00 | 00 2c 10 03 ff ff  ff b0 ff ff ff c7 00 00  |...,............|
00000080  00 52 ff ff ff c7 00 00  00 52 00 00 00 3a ff ff  |.R.......R...:..|
00000090  ff b0 00 00 00 3a ff ff  ff b0 ff ff ff c7 |00 04  |.....:..........|
000000a0  11 00 |00 04 07 00| 00 04  04 00 |00 00 00 00 00 00  |................|
000000b0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
*
00000800

(1)00 06 00 02 00 05:据前两个字节00 06得到此模块共六个字符，根据00 02得知此模块为文件头，00 05为版本号;
(2)00 1c 01 02 00 7d 00 02 00 06 00 0e 00 09 00 2d 00 7d 00 02 00 06 00 0e 00 09
00 33 :
前两个字节00 1C得到此模块共28个字节，01 02可知为BGNLIB库文件头，00 7d 00 02 00 06 00 0e 00 09 00 2d和00 7d 00 02 00 06 00 0e 00 09
00 33定义了GDSII文件最后一次修改的时间2025年2月6日14点09分45秒和读取时间2025年2月6日14点33秒.
(3)00 08 02 06 74 65 73 74表示LIBNAME，它定义了文件库名，即test
(4)00 14 03 05 3e 41 89 37 4b c6 a7 f0 39 44 b8 2f a0 9b 5a 54 20个字节，为UNITS，后面跟了两个8字节的浮点数,UNITS 记录定义了两个浮点数，分别表示 用户单位 和 数据库单位。这两个浮点数用于坐标的缩放和转换。
前 4 字节：00 14 03 05 → 记录头和类型（UNITS）。
后 16 字节：两个 8 字节的浮点数（大端格式）。
(5)00 1c 05 02 00 7d 00 02 00 06 00 0d 00 36 00 00 00 7d 00 02 00 06 00 0e 00 09 00 2d:
05 02 表示BGNSTR模块结构头，后跟2个12字节记录创建时间以及修改时间。后面跟着若干cell即instance。
(6)00 08 06 06 74 65 73 74:STRNAME 模块结构名，cellname名为test;
(7) 00 04 08 004个字节，BOUNDARY多边形
(8) 00 06 0d 02 00 00 :6个字节，LAYER层，0层
(9) 00 06 0e 02 00 00: 6个字节，DATATYPE，0
(10) 00 2c 10 03 ff ff ff b0 ff ff ff c7 00 00 00 52 ff ff ff c7 00 00 00 52 00 00 00 3a ff ff ff b0 00 00 00 3a ff ff ff b0 ff ff ff c7 44个字节，XY，5对int32型的XY坐标: 5对有符号整数分别为（-80，-57），（82，-57），（82，58），（-80，58），（-80，-57）；
(11) 00 04 11 00 4个字节，结束插入
(12) 00 04 07 00 4个字节，ENDSTR结束模块。
(13) 00 04 04 004个字节，ENDLIB结束库文件。

GDS2文件的核心元素

1. 层次结构（Hierarchy）

  • GDS2文件支持层次化设计，允许定义和复用结构（STRUCT）。
  • 每个结构可以包含几何图形、路径、文本等元素。

2. 几何图形（Geometry）

  • 使用BOUNDARY记录定义多边形，描述版图中的金属层、扩散层等。
  • 每个多边形由一系列顶点坐标组成。

3. 路径（Path）

  • 使用PATH记录定义线宽和路径形状，常用于描述导线。

4. 文本标注（Text）

  • 使用TEXT记录添加文本信息，如标签、注释等。

5. 单位定义（Units）

  • 使用UNITS记录定义用户单位与数据库单位的比例，确保数据的精确性。

GDS2 vs. OASIS: 核心差异

特性GDS2OASIS
文件格式二进制二进制
文件体积较大较小（压缩率更高）
兼容性广泛支持较新，支持较少
层次结构支持支持
扩展性有限更强（支持更多数据类型）

如何生成与查看GDS2文件？

生成GDS2文件

  1. EDA工具导出

    • 使用Cadence Virtuoso、Synopsys IC Compiler等工具导出GDS2文件。
    • 示例：在Cadence Virtuoso中，选择File > Export > Stream，设置输出格式为GDSII。

  2. 脚本生成

    • 使用Python库（如gdspy）编写脚本生成GDS2文件。

查看GDS2文件

  1. 专用查看器

    • 使用KLayout、GDSII Viewer等工具查看GDS2文件。

  2. EDA工具导入

    • 将GDS2文件导入EDA工具（如Cadence Virtuoso）进行查看和编辑。

GDS2文件的局限性

  1. 文件体积较大

    • GDS2文件是二进制格式，且未压缩，导致文件体积较大。

  2. 功能有限

    • 不支持现代设计中的一些高级特性（如参数化单元）。

  3. 版本老旧

    • GDS2格式自1980年代以来未进行重大更新，逐渐被OASIS取代。

应用场景

  1. IC设计与制造

    • GDS2文件用于描述芯片的物理布局，是流片（Tape-out）的关键数据。

  2. 版图验证

    • 使用DRC（设计规则检查）和LVS（版图与电路图一致性检查）工具验证GDS2文件。

  3. IP核交换

    • GDS2文件常用于IP核（Intellectual Property Core）的交付。

总结

GDS2文件作为半导体行业中最经典的版图数据格式，至今仍在IC设计和制造中发挥着重要作用。尽管其存在文件体积大、功能有限等局限性，但其广泛的兼容性和成熟性使其难以被完全取代。对于IC设计工程师而言，掌握GDS2文件的结构和使用方法是必备技能。

参考资料

  1. GDSII Format Specification
  2. KLayout GDSII Viewer
  3. Cadence Virtuoso User Guide
  4. OASIS vs. GDSII Comparison

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