Формат GDSII

GDSII (Graphic Design System II) — это бинарный формат файлов, используемый для хранения и передачи данных о топологии интегральных микросхем (ИМС). Он представляет собой стандарт де-факто в области автоматизированного проектирования электроники (EDA) для описания геометрических слоёв полупроводниковых устройств, включая транзисторы, межсоединения и контактные площадки. Разработанный в конце 1970-х годов компанией Calma, GDSII остаётся основным форматом для обмена данными между системами проектирования, верификации и производственными литографическими установками, несмотря на появление более современных альтернатив, таких как OASIS.

История

Формат GDSII был создан в 1978 году компанией Calma (США) как часть программного пакета для автоматизированного проектирования интегральных схем. Первоначально он назывался GDS (Graphic Design System) и использовался для описания геометрии масок фотолитографии. В 1980-х годах, с ростом сложности микросхем и необходимостью стандартизации, формат был переименован в GDSII и принят в качестве основного отраслевого стандарта.

В 1990-х годах, с развитием технологий производства (переход к субмикронным нормам), GDSII столкнулся с ограничениями по объёму данных и точности представления. Однако его широкая распространённость и совместимость с большинством инструментов EDA (Electronic Design Automation) обеспечили ему доминирующее положение. В 2000-х годах появился формат OASIS (Open Artwork System Interchange Standard), разработанный для преодоления ограничений GDSII, но GDSII продолжает использоваться во многих проектах, особенно в legacy-системах и на этапах верификации.

Структура и основные элементы

GDSII — это бинарный формат, в котором данные организованы в виде последовательности записей (records). Каждая запись имеет заголовок, содержащий тип записи и её длину, за которым следуют данные. Основные типы записей включают:

• BOUNDARY — многоугольник (полигон), описывающий область на слое.
• PATH — линия (трасса) с заданной шириной, используемая для межсоединений.
• SREF — ссылка на ячейку (cell) с возможностью масштабирования и поворота.
• AREF — массив ссылок на ячейки, расположенные по сетке.
• TEXT — текстовые метки для аннотаций.
• NODE — узел, используемый для электрических соединений.

Иерархическая структура

Файл GDSII организует данные иерархически. Основной элемент — ячейка (cell). Ячейки могут содержать геометрические примитивы (полигоны, линии) и ссылки на другие ячейки (через SREF или AREF). Это позволяет создавать сложные структуры (например, ячейка транзистора может быть многократно использована в ячейке микропроцессора). Такая иерархия значительно уменьшает размер файла и упрощает проектирование.

Слои и типы данных

Каждый геометрический объект в GDSII привязан к номеру слоя (layer) и типу данных (datatype). Слои соответствуют физическим маскам фотолитографии (например, слой поликремния, слой металла). Тип данных используется для различения разных типов объектов на одном слое (например, контактные отверстия и активные области). Нумерация слоёв и типов данных не стандартизирована и определяется разработчиком или технологическим процессом.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Широкая совместимость: GDSII поддерживается практически всеми инструментами EDA, включая Cadence, Synopsys, Mentor Graphics (Siemens EDA) и открытые пакеты (например, KLayout).
• Простота реализации: Бинарный формат с чёткой структурой записей легко читать и писать.
• Иерархия: Возможность повторного использования ячеек снижает размер файла и ускоряет обработку.
• Долговечность: Формат существует более 40 лет и остаётся стабильным, что важно для долгосрочного хранения данных.

Недостатки

• Ограниченный объём данных: Максимальное количество объектов в файле ограничено 32-битными целыми числами (до 2^31-1 записей). Для современных микросхем с миллиардами транзисторов это может быть недостаточно.
• Низкая точность: Координаты хранятся в целых числах (обычно в нанометрах или микронах), что может приводить к ошибкам округления при масштабировании.
• Отсутствие сжатия: Файлы GDSII не сжимаются, что приводит к большому размеру для сложных проектов (сотни гигабайт).
• Отсутствие метаданных: Формат не поддерживает хранение информации о технологическом процессе, электрических параметрах или временных характеристиках.
• Проблемы с масштабируемостью: При работе с очень большими файлами (более 10 ГБ) производительность инструментов EDA может снижаться.

Применение

GDSII используется на всех этапах проектирования и производства интегральных микросхем:

• Проектирование топологии: Инструменты EDA (например, Cadence Virtuoso, Synopsys IC Compiler) экспортируют топологию в GDSII для передачи на верификацию.
• Верификация: Системы проверки правил проектирования (DRC) и сравнения схем (LVS) обрабатывают GDSII-файлы.
• Фотолитография: Производственные установки (например, ASML) используют GDSII для генерации масок.
• Обмен данными: GDSII является стандартным форматом для передачи топологии между компаниями-разработчиками и фабриками (foundries).
• Архивирование: Из-за долговечности формата GDSII часто используется для долгосрочного хранения проектов.

Альтернативы

Основной альтернативой GDSII является формат OASIS (Open Artwork System Interchange Standard), разработанный в 2004 году. OASIS поддерживает сжатие, более высокую точность (64-битные числа) и больший объём данных. Однако GDSII остаётся более распространённым из-за legacy-совместимости и меньшей сложности. Другие форматы, такие как LEF/DEF (Library Exchange Format/Design Exchange Format), используются для обмена данными на уровне библиотек и блоков, но не заменяют GDSII для полной топологии.

Интересные факты

• Формат GDSII был разработан компанией Calma, которая в 1980-х годах была приобретена General Electric, а затем продана Valid Logic Systems. В 1990-х годах права на формат перешли к Cadence Design Systems.
• Несмотря на то, что GDSII является проприетарным форматом, его спецификация открыта, что позволило создать множество бесплатных инструментов для чтения и записи (например, KLayout, GDS2TXT).
• В 2010-х годах с появлением технологий EUV-литографии (экстремальный ультрафиолет) объём данных в GDSII-файлах для одного чипа достиг десятков терабайт, что стимулировало развитие OASIS и других форматов.

Источники

• Спецификация формата GDSII (Cadence Design Systems, 1987).
• «VLSI Design Methodology» — Michael John Sebastian Smith (1997).
• «Open Artwork System Interchange Standard (OASIS)» — SEMI P39-0305 (2005).
• Документация инструмента KLayout (klayout.de).
• «GDSII vs OASIS: A Comparison of Data Formats for IC Design» — Journal of Electronic Testing (2012).