芯片与集成电路设计数据格式之GDSII

GDSII（Graphic Design System的简称）是电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）中的集成电路或布局数据交换的数据格式。它是一种二进制文件格式，用于以分层形式表示平面几何形状、文本标签以及布局的相关信息。在过去的30多年中，由于GDSII流格式是一种事实上的标准，几乎所有EDA软件与硬件系统都支持它。

GDSII是在80年代由Calma开发的标准，所有权随着年代的推移从Calma转移到GE，再到Valid，最终到Cadence。版本虽然历经迭代更新，格式和语法没有本质的变化。GDSII一直是集成电路布局的行业标准数据库。尽管OASIS已经获得了很大的发展，但GDSII仍然是常描述用于构建芯片物理布局的主要格式。在某种程度上，GDSII的长生命周期既归因于其优雅的架构，也归因于其简单性。同时，庞大的遗留代码库可能也是导致切换到替代方案（如OASIS）变得缓慢的原因之一。

本文通过示例描述，帮助读者快速了解GDSII格式，以及如何对GDS文件进行读写操作。

文件格式

GDSII文件格式清晰易懂，通过关键字定义文件库，结构，以及各种参数。本文着重介绍其在CAD/CAE/EDA项目开发中可能会遇到的内容。

文件标识

GDSII文件头始终以HEADER标识开头，参数包含了所使用的版本号。之后，BGNLIB记录了最后修改和最后访问文件的日期。LIBNAME记录了文档名称。之后是可选的文件头标识：REFLIBS，FONTS，ATTRTABLE，GENERATIONS，和FORMAT。文件头的最后一个标识必须是UNITS，记录单位与精度。在文件头之后是结构段。当所有信息定义完成后，文件以ENDLIB标识结束。

HEADER 600 BGNLIB 10/31/2023 14:28:48 10/31/2023 14:28:48 LIBNAME WelSim_FirstUNITS 0.001 1e-09 …ENDLIB

结构标识

每个结构都有两个头标识和一个尾标识，包围一个任意的元素列表。第一个结构头标识是BGNSTR，其中包含创建日期和最后修改日期。随后是STRNAME标识。然后，结构段处于打开状态，可以列出BOUNDARY, PATH, SREF, AREF, TEXT, NODE, BOX七种元素中的一种。结构的最后一个标识是ENDSTR。在它之后必须是另一个结构段或者是整个库的结束，ENDLIB。

BGNSTRSTRNAME...ENDSTR

BOUNDARY元素

边界元素定义了一个填充的多边形（Polygon）。它以BOUNDARY标识开头，包含可选标识ELFLAGS和PLEX，之后必须包含LAYER、DATATYPE和XY标识。LAYER标识用于定义此边界使用的层（从0到63编号）。DATATYPE标识包含不重要的信息，其参数应为零。XY标识包含从四对到200对坐标，用于定义多边形的轮廓。此标识中的点数由标识长度定义。值得注意的是，因为边界必须是闭合的，所以第一个和最后一个坐标值必须相同。

BOUNDARY LAYER 0 DATATYPE 0 XY 0: 00: 10002000: 10002000: 00: 0ENDEL 

PATH元素

路径是一种具有非零宽度的开放图形，通常用于放置导线。以PATH标识开始，然后是可选的ELFLAGS和PLEX标识。随后必须出现LAYER标识，以识别所需的路径材料。此外，必须出现一个DATATYPE标识和一个XY标识，以定义路径的坐标。路径中可以包含从两个到200个点。在路径规范的XY标识之前，有两个可选的标识PATHTYPE和WIDTH。PATHTYPE标识描述了路径段端点的性质。如果该值为0，段将具有在路径顶点终止的方形端点。值为1表示圆形端点，值为2表示方形端点，其端点宽度为其宽度的一半。路径的宽度由可选的WIDTH标识定义。如果宽度值为负数，那么它将独立于任何结构缩放。

PATH LAYER 1 DATATYPE 0 PATHTYPE 0 WIDTH 500 XY 0: 00: 1000020000: 018000: 150008000: 15000ENDEL 

SREF元素

SREF标识表示结构体引用，通过允许结构引用出现在其他结构中，从而实现层次。随后是可选的ELFLAGS和PLEX标识。之后SNAME记录命名所需的结构，XY标识包含单个坐标以放置此结构。在XY标识之前，可能存在可选的变换标识。如果需要结构变换，必须首先出现STRANS标识。

BGNSTR 10/31/2023 14:28:48 10/31/2023 14:28:48 STRNAME SquareSREF SNAME CircleXY -10000: 5000ENDEL 
BOUNDARY LAYER 0 DATATYPE 0 XY -15000: 0-15000: 10000-5000: 10000-5000: 0-15000: 0ENDEL ENDSTR 

AREF元素

除了用于单个结构的SREF，GDSII还有AREF（阵列引用）元素，它可以放置一维或二维结构阵列。这对许多包括存储器的集成电路布局非常有用。在可选的ELFLAGS和PLEX标识之后，接着是SNAME标识，用于标识被排列的结构。接下来，可选的变换标识STRANS、MAG和ANGLE标识提供了实例的方向。必须随后出现COLROW标识，以指定数组中的列数和行数。最后一条标识是一个XY标识，包含三个点：角实例的坐标、列方向上最后一个实例的坐标、以及行方向上最后一个实例的坐标。

BGNSTR 10/31/2023 11:56:33 10/31/2023 11:56:34 STRNAME ARRAY_EXAREFSNAME WELSIM_RECTANGLE 10COLROW 5 3 XY 0: 020000: 00: -10000ENDELENDSTR 

TEXT元素

消息可以通过TEXT标识包含在电路中。以关键字TEXT开头，之后是可选的ELFLAGS和PLEX标识，接着是必需的LAYER标识。然后必须出现一个具有零参数的TEXTTYPE标识。可选的PRESENTATION标识指定字体。可选的PATHTYPE、WIDTH、STRANS、MAG和ANGLE标识可以调整文本。最后两个标识是必需的：一个XY标识，带有单个坐标以定位文本。一个STRING标识，用于表达实际文本。

TEXT LAYER 0 TEXTTYPE 2 PRESENTATION 0 XY 5000: 3000STRING WelSim labelENDEL

NODE元素

NODE标识可以指定电路信息。这个元素中的信息不是图形信息，不会影响制造的电路。而是为了供其他使用拓扑信息的CAD系统使用。这里就不赘述了。

NODELAYER 21NODETYPE 1XY 123000: 124500123000: 103500126000: 103500126000: 124500123000: 124500ENDEL

BOX元素

GDSII文件的最后一个元素是BOX。在BOX标识之后是可选的ELFLAGS和PLEX标识，接着是必需的LAYER标识，一个带有零参数的BOXTYPE标识，以及一个XY标识。XY标识必须包含五个点，描述一个封闭的矩形。与边界不同，这不是一个填充的图形。因此，它不用于描述集成电路的几何形状。

  BOX 43 2  92000 -7000  106000 -7000  106000 19000  92000 19000  92000 -7000  ENDEL

GDS文件的读写操作

除了商业软件供应商外，还有许多免费的GDSII工具。这些免费工具包括编辑器、查看器、将2D布局数据转换为通用3D格式的实用程序、将二进制格式转换为可读的ASCII格式的实用程序，以及程序库。笔者经过一些测试和使用，发现

1. KLayout是一款开源的GDS文件可视化浏览与编辑器，简单好用，适合初学者。开源的代码也适合深入学习。支持将二进制的GDS文件转换为ASCII格式的可读文本。

2. gdstk是一款基于C++语言的开源GDS读写包，协议非常友好，可以直接用于GDS相关的商业项目。同时拓展有Python版本。

3. 自行编写与GDSII相关的应用程序并不复杂，还可以与其他CAD内核模块与2D/3D显示模块结合，实现更为丰富的功能。

总结

GDSII是一种语法简单的二维CAD文件格式，常用于集成电路和芯片的设计。GDS生态丰富，有大量的商业和开源软件支持，对于应用者和开发者都极为友好。如果研发一款EDA/CAE软件，对GDSII文件的支持可能是必要的。

WelSim与作者不隶属于GDSII，OASIS，Cadence，KLayout，gdstk。和GDSII，OASIS，Cadence，KLayout，gdstk的开发团队与机构没有直接关系。这里的引用仅用作技术博客文章与软件使用的参考。