IC設計版圖中GDS2文件格式詳解

版圖中GDS2文件格式詳解

目錄

  1. 什么是GDS2文件？
  2. GDS2文件的歷史與發展
  3. GDS2文件的結構解析
  4. GDS2文件的核心元素
  5. GDS2 vs. OASIS: 核心差異
  6. 如何生成與查看GDS2文件？
  7. GDS2文件的局限性
  8. 應用場景
  9. 總結

什么是GDS2文件？

GDS2（Graphic Data System II）是一種用于集成電路（IC）設計和版圖數據的二進制文件格式。它是GDS格式的第二個版本，由Calma公司在20世紀70年代開發，現已成為半導體行業中最廣泛使用的版圖數據交換標準之一。

GDS2文件主要用于描述芯片的物理布局信息，包括幾何圖形、層次結構、文本標注等。

GDS2文件的歷史與發展

  • 1970年代：GDS格式由Calma公司開發，用于其版圖設計系統。
  • 1980年代：GDS2成為行業標準，廣泛應用于IC設計和制造。
  • 2000年代：OASIS格式出現，試圖替代GDS2，但GDS2因其成熟性和廣泛支持仍占據主導地位。
  • 至今：GDS2仍然是半導體行業中最常用的版圖數據格式之一。

GDS2文件的結構解析

GDS2文件是一種二進制文件，由一系列記錄（Records）組成。每個記錄包含以下部分：

  • 記錄頭：2字節，表示記錄類型。
  • 記錄長度：2字節，表示記錄的總長度。
  • 記錄內容：可變長度，包含具體數據。

主要記錄類型

  1. HEADER：文件頭，包含版本信息。
  2. BGNLIB：庫開始標記，包含創建和修改時間。
  3. LIBNAME：庫名稱。
  4. UNITS：定義用戶單位與數據庫單位的比例。
  5. STRUCT：結構定義開始。
  6. SNAME：結構名稱。
  7. BOUNDARY：幾何圖形（多邊形）定義。
  8. PATH：路徑定義。
  9. TEXT：文本標注。
  10. ENDLIB：庫結束標記。
    以下為test.gds案例 ，詳細解釋每個字段含義
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:據前兩個字節00 06得到此模塊共六個字符，根據00 02得知此模塊為文件頭，00 05為版本號;
(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 :
前兩個字節00 1C得到此模塊共28個字節，01 02可知為BGNLIB庫文件頭，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定義了GDSII文件最后一次修改的時間2025年2月6日14點09分45秒和讀取時間2025年2月6日14點33秒.
(3)00 08 02 06 74 65 73 74表示LIBNAME，它定義了文件庫名，即test
(4)00 14 03 05 3e 41 89 37 4b c6 a7 f0 39 44 b8 2f a0 9b 5a 54 20個字節，為UNITS，后面跟了兩個8字節的浮點數,UNITS 記錄定義了兩個浮點數，分別表示 用戶單位 和 數據庫單位。這兩個浮點數用于坐標的縮放和轉換。
前 4 字節：00 14 03 05 → 記錄頭和類型（UNITS）。
后 16 字節：兩個 8 字節的浮點數（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模塊結構頭，后跟2個12字節記錄創建時間以及修改時間。后面跟著若干cell即instance。
(6)00 08 06 06 74 65 73 74:STRNAME 模塊結構名，cellname名為test;
(7) 00 04 08 004個字節，BOUNDARY多邊形
(8) 00 06 0d 02 00 00 :6個字節，LAYER層，0層
(9) 00 06 0e 02 00 00: 6個字節，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個字節，XY，5對int32型的XY坐標: 5對有符號整數分別為（-80，-57），（82，-57），（82，58），（-80，58），（-80，-57）；
(11) 00 04 11 00 4個字節，結束插入
(12) 00 04 07 00 4個字節，ENDSTR結束模塊。
(13) 00 04 04 004個字節，ENDLIB結束庫文件。

GDS2文件的核心元素

1. 層次結構（Hierarchy）

  • GDS2文件支持層次化設計，允許定義和復用結構（STRUCT）。
  • 每個結構可以包含幾何圖形、路徑、文本等元素。

2. 幾何圖形（Geometry）

  • 使用BOUNDARY記錄定義多邊形，描述版圖中的金屬層、擴散層等。
  • 每個多邊形由一系列頂點坐標組成。

3. 路徑（Path）

  • 使用PATH記錄定義線寬和路徑形狀，常用于描述導線。

4. 文本標注（Text）

  • 使用TEXT記錄添加文本信息，如標簽、注釋等。

5. 單位定義（Units）

  • 使用UNITS記錄定義用戶單位與數據庫單位的比例，確保數據的精確性。

GDS2 vs. OASIS: 核心差異

特性GDS2OASIS
文件格式二進制二進制
文件體積較大較小（壓縮率更高）
兼容性廣泛支持較新，支持較少
層次結構支持支持
擴展性有限更強（支持更多數據類型）

如何生成與查看GDS2文件？

生成GDS2文件

  1. EDA工具導出

    • 使用Cadence Virtuoso、Synopsys IC Compiler等工具導出GDS2文件。
    • 示例：在Cadence Virtuoso中，選擇File > Export > Stream，設置輸出格式為GDSII。

  2. 腳本生成

    • 使用Python庫（如gdspy）編寫腳本生成GDS2文件。

查看GDS2文件

  1. 專用查看器

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

  2. EDA工具導入

    • 將GDS2文件導入EDA工具（如Cadence Virtuoso）進行查看和編輯。

GDS2文件的局限性

  1. 文件體積較大

    • GDS2文件是二進制格式，且未壓縮，導致文件體積較大。

  2. 功能有限

    • 不支持現代設計中的一些高級特性（如參數化單元）。

  3. 版本老舊

    • GDS2格式自1980年代以來未進行重大更新，逐漸被OASIS取代。

應用場景

  1. IC設計與制造

    • GDS2文件用于描述芯片的物理布局，是流片（Tape-out）的關鍵數據。

  2. 版圖驗證

    • 使用DRC（設計規則檢查）和LVS（版圖與電路圖一致性檢查）工具驗證GDS2文件。

  3. IP核交換

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

總結

GDS2文件作為半導體行業中最經典的版圖數據格式，至今仍在IC設計和制造中發揮著重要作用。盡管其存在文件體積大、功能有限等局限性，但其廣泛的兼容性和成熟性使其難以被完全取代。對于IC設計工程師而言，掌握GDS2文件的結構和使用方法是必備技能。

參考資料

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

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