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。
HEADER600 BGNLIB10/31/2023 14:28:48 10/31/2023 14:28:48 LIBNAMEWelSim_FirstUNITS0.001 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。
BOUNDARYLAYER0 DATATYPE0 XY0: 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。
PATHLAYER1 DATATYPE0 PATHTYPE0 WIDTH500 XY0: 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。
BGNSTR10/31/2023 14:28:48 10/31/2023 14:28:48 STRNAMESquareSREFSNAMECircleXY-10000: 5000ENDELBOUNDARYLAYER0 DATATYPE0 XY-15000: 0-15000:10000-5000:10000-5000:0-15000:0ENDELENDSTR
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。
BGNSTR10/31/2023 11:56:33 10/31/2023 11:56:34 STRNAMEARRAY_EXAREFSNAMEWELSIM_RECTANGLE10COLROW5 3 XY0: 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 LAYER0 TEXTTYPE2 PRESENTATION0 XY5000: 3000STRINGWelSim 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。
NODELAYER21NODETYPE1XY123000: 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。
BOX43 292000-7000106000-700010600019000920001900092000-7000ENDEL
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。
