GDSII 与 OASIS 版图文件格式：从第一性原理到芯片制造

ℹ 范围：从"掩模需要什么信息"出发，推导版图文件的最小数据模型；逐字节拆解 GDSII 与 OASIS；附完整的 SRAM 样例解码数据供读者复现；最后按工序说明 Fab / 掩模厂如何解析版图并完成芯片生产。

说明：本文所有字节级解码示例均附有可复现的解码脚本与完整输出。GDSII / OASIS 读写对照业界开源库 gdstk (github.com/heitzmann/gdstk)。Fab 流程为行业通用流程，具体参数以各厂 PDK 与 Tape-out 规范为准。

1. 第一性原理：版图文件要回答什么问题

1.1 制造端真正需要的输入

晶圆厂不关心电路"是什么"，只关心每一道光刻"哪里透光、哪里不透光"。一颗芯片的制造输入，本质是 N 张二值平面图（每张对应一块掩模，N 在几十量级），外加把它们彼此对齐的坐标系。

制造端的硬需求	由此推出的约束	数据模型上的决策
图形必须精确到制造网格	浮点误差不可接受；布尔运算必须可精确判定	整数坐标 + 全局单位（数据库单位 DBU）
每块掩模独立制作	图形必须按工艺层归类	每个图形带层号（及数据类型）
图形是"区域"，不是线条	需要可做面积/布尔运算的表示	多边形（边界表示），线宽型走线可用 Path 简写
SRAM、标准单元大量重复	平铺存储体积爆炸	层次化：单元定义一次，实例只存变换
验证需要知道哪根线是哪个网络	纯几何不足以做 LVS	文本标注（Label）与可选属性
文件要跨工具、跨公司、跨几十年交换	格式必须自描述、与平台无关	定义明确的字节序列化规范

1.2 为什么不直接存位图

按光刻机最大曝光场 26 mm × 33 mm、1 nm 网格估算单层位图：

量	计算	结果
像素数	2.6×10⁷ × 3.3×10⁷	≈ 8.6×10¹⁴
1 bit/像素	8.6×10¹⁴ / 8	≈ 107 TB / 层
同一区域用多边形	只存边界顶点	与图形复杂度成正比，与面积无关

结论：几何必须用矢量（多边形）表示；再叠加层次复用，体积才能降到可交换的量级。位图化（栅格化）只发生在流程最末端——掩模写入机内部。

1.3 推导出的最小数据模型

概念	定义	GDSII 叫法	OASIS 叫法
库	一个文件；持有单位与全部单元	Library（BGNLIB…ENDLIB）	文件（START…END）
单元	具名的图形容器，可被引用	Structure（BGNSTR…ENDSTR）	CELL
多边形	闭合顶点序列 + 层/类型	BOUNDARY（BOX）	POLYGON / RECTANGLE / TRAPEZOID / CTRAPEZOID / CIRCLE
路径	中心线 + 宽度 + 端头样式	PATH	PATH
实例	对另一单元的引用 + 变换	SREF（单个）/ AREF（阵列）	PLACEMENT / PLACEMENT_TRANSFORM（+ 任意重复）
标注	点 + 字符串 + 层/类型	TEXT	TEXT
属性	附着在元素上的键值	PROPATTR / PROPVALUE	PROPERTY

1.4 层次 = 有向无环图（DAG）

图 1-1单元引用 DAG — 箭头标注引用类型，叶子节点为实际多边形

TOP

← 顶层单元（无父节点）

▼ SREF

CORE

▼ SREF

SRAM_MACRO

▼ AREF

512×256 = 131072 个实例

BITCELL

↑ 叶子：OD / PO / CO / M1 … 多边形

▼ SREF

STD_LOGIC

▼ SREF

PLL

规则
• 边 = 引用（带变换）；不允许成环
• 展平 flatten(TOP) = 对每条“根 → 叶”路径，把复合变换作用到叶子多边形上，再取并集

1.5 两种格式的定位

GDSII 与 OASIS 承载同一个数据模型，差别只在序列化方式：

维度	GDSII Stream	OASIS
出身	Calma 公司 GDS II 系统的流格式（1970 年代末），最终版本 Release 6.0（HEADER=600）	SEMI P39（2004），为替代 GDSII 而设计；掩模写入子集为 SEMI P44（OASIS.MASK）
设计哲学	定长、自同步、易实现	信息论意义上的紧凑：去掉一切可推导的冗余
代价	体积大，40 年前的位宽限制至今仍在	解析器是状态机，实现复杂度高一个量级

2. 共同的几何语义

2.1 单位与网格

概念	含义	典型值
DBU（数据库单位）	坐标整数的物理含义，所有几何都是 DBU 的整数倍	1 nm（先进节点常用 0.5 nm 或更细）
用户单位	工具界面显示用的单位	1 µm
制造网格	工艺允许的最小坐标步长，由 PDK 规定	≥ DBU，且为其整数倍

GDSII 在 UNITS 记录中同时给出"1 DBU = 多少用户单位"与"1 DBU = 多少米"；OASIS 在 START 中给出"每微米多少个网格单位"。单位读错 = 整张图缩放错误，这是 Fab 接收检查的第一项。

2.2 实例变换

实例把子单元坐标 p 映射到父单元坐标 p'，顺序固定为：先关于 X 轴镜像 → 再缩放 → 再旋转 → 最后平移。


  p' = T + R(theta) * ( M * F(p) )

  F(x, y)  = (x, -y) if reflected else (x, y)     GDSII: STRANS bit 0x8000   OASIS: info bit F
  M        = magnification                        GDSII: MAG (real8)         OASIS: real
  R(theta) = rotation, counter-clockwise, degrees GDSII: ANGLE (real8)       OASIS: AA bits (k*90) or real
  T        = origin                               GDSII: XY                  OASIS: x, y (absolute or relative)

  Nested:  p_top = A1( A2( ... An(p_leaf) ) )     compose along the DAG path

变换类型	是否保持网格对齐	制造风险
平移（整数）、90° 倍数旋转、镜像	是	无
任意角度旋转	否	顶点落在网格外，需吸附（snap），产生锯齿与微小间隙
非整数放大	通常否	同上；多数 PDK 禁止

2.3 层号与数据类型

(layer, datatype) 二元组是图形的分类键。它不是掩模编号——两者之间隔着一张由 PDK 定义的层映射表（见 §7.4）。

字段	典型用途（具体编号以 PDK 为准）
layer	工艺层：有源区、阱、多晶、接触孔、各层金属/通孔、标记层
datatype	同一层内的用途区分：drawing / pin / dummy(fill) / blockage / 多重曝光颜色 / OPC 排除区
texttype	TEXT 专用的分类号，常用于区分端口标注与注释

3. GDSII：逐字节拆解

3.1 唯一的结构单元：记录

GDSII 文件就是一串首尾相接的记录，没有文件头、没有索引、没有压缩。单条记录的结构如图 3-1。

图 3-1GDSII 记录结构 — 每条记录 = 4 B 定长头 + 变长载荷

字节 0–1 记录长度 L uint16	字节 2 记录类型	字节 3 数据类型	字节 4 … L−1 载荷（L − 4 字节）
2 字节大端序	1 字节 0x00~0xFF	1 字节 0~6	变长，共 L−4 字节；内容由记录类型决定（坐标 / 字符串 / 实数 / 位字段等）

约束：4 ≤ L ≤ 65534 且为偶数（长度含 4 B 头）→ 单个 XY 记录最多 8191 个坐标点（每点 8 B）

规则	后果
长度字段 16 位	单条记录 ≤ 65534 B → 单个 XY 最多 8191 个点
长度含 4 字节头且为偶数	读取器只需"读 4 字节 → 读 L−4 字节"循环即可遍历全文件
全部大端序	与平台无关；小端机器读取时需逐字段字节交换
文件常补零至 2048 B 的整数倍	磁带时代遗留；ENDLIB 之后的 0x00 应忽略

3.2 数据类型（字节 3）

码	类型	单元宽度	典型记录
0	无数据	0	BOUNDARY、ENDEL、ENDSTR、ENDLIB
1	位数组	2 B	STRANS、PRESENTATION、ELFLAGS
2	有符号整数	2 B	HEADER、BGNLIB、LAYER、DATATYPE、COLROW、PATHTYPE
3	有符号整数	4 B	XY、WIDTH、BGNEXTN、ENDEXTN
4	实数	4 B	规范保留，实际不用
5	实数（Real8）	8 B	UNITS、MAG、ANGLE
6	ASCII 串	变长	LIBNAME、STRNAME、SNAME、STRING；奇数长度补 `\0`

3.3 Real8：不是 IEEE 754

GDSII 的 8 字节实数沿用 IBM 大型机的十六进制浮点格式（指数 excess-64），位段如图 3-2。

图 3-2Real8 位段布局 — 不是 IEEE 754，底数 16，指数偏移 64

bit 63
S 符号
1 位

bit 62–56
E 指数
7 位

bit 55 … 0
M 尾数（小数部分）
56 位，无隐含位

值 = (−1)ˢ × (M / 2⁵⁶) × 16⁽ᴱ⁻⁶⁴⁾规格化：1/16 ≤ M/2⁵⁶ < 1

对比项	Real8（GDSII）	IEEE 754 double
底数	16	2
指数	7 bit，偏移 64	11 bit，偏移 1023
尾数	56 bit，无隐含位	52 bit + 隐含位

value = (−1)^S × (M / 2⁵⁶) × 16^{(E − 64)} 规格化：1/16 ≤ M/2⁵⁶ < 1

解码用 C 代码表达（对照 gdstk gdsii.cpp gdsii_real_to_double）：


double gdsii_real_to_double(uint64_t real) {
    int64_t exponent = ((real & 0x7F00000000000000) >> 54) - 256;
    double mantissa = (double)(real & 0x00FFFFFFFFFFFFFF) / 72057594037927936.0;
    double result = mantissa * exp2((double)exponent);
    return (real & 0x8000000000000000) ? -result : result;
}

对比	GDSII Real8	IEEE 754 double
底数	16	2
指数	7 bit，偏移 64	11 bit，偏移 1023
尾数	56 bit，无隐含位；十六进制规格化下首位可有至多 3 个前导 0，有效精度 53~56 bit	52 bit + 1 隐含位
范围	约 10⁻⁷⁸ ~ 10⁷⁵	约 10⁻³⁰⁸ ~ 10³⁰⁸

3.4 记录类型（字节 2）

类别	记录（十六进制码）
库级	HEADER 00 · BGNLIB 01 · LIBNAME 02 · UNITS 03 · ENDLIB 04 · REFLIBS 1F · FONTS 20 · GENERATIONS 22 · ATTRTABLE 23 · FORMAT 36 · MASK 37 · ENDMASKS 38 · LIBDIRSIZE 39 · SRFNAME 3A · LIBSECUR 3B
单元级	BGNSTR 05 · STRNAME 06 · ENDSTR 07 · STRCLASS 34
元素起始	BOUNDARY 08 · PATH 09 · SREF 0A · AREF 0B · TEXT 0C · NODE 15 · BOX 2D
元素结束	ENDEL 11
元素属性	ELFLAGS 26 · PLEX 2F · LAYER 0D · DATATYPE 0E · TEXTTYPE 16 · NODETYPE 2A · BOXTYPE 2E · WIDTH 0F · PATHTYPE 21 · BGNEXTN 30 · ENDEXTN 31 · XY 10 · SNAME 12 · COLROW 13 · STRANS 1A · MAG 1B · ANGLE 1C · PRESENTATION 17 · STRING 19
用户属性	PROPATTR 2B · PROPVALUE 2C
废弃/保留	TEXTNODE 14 · SPACING 18 · UINTEGER 1D · USTRING 1E · STYPTABLE 24 · STRTYPE 25 · ELKEY 27 · LINKTYPE 28 · LINKKEYS 29 · TAPENUM 32 · TAPECODE 33 · RESERVED 35
厂商扩展	Raith 电子束：0x5A（MBMS PATH）、0x62（PXXDATA）

3.5 文件语法


<file>      ::= HEADER BGNLIB [LIBDIRSIZE] [SRFNAME] [LIBSECUR] LIBNAME
                [REFLIBS] [FONTS] [ATTRTABLE] [GENERATIONS] [<format>]
                UNITS { <structure> }* ENDLIB
<structure> ::= BGNSTR STRNAME [STRCLASS] { <element> }* ENDSTR
<element>   ::= { <boundary> | <path> | <sref> | <aref> | <text> | <node> | <box> }
                { PROPATTR PROPVALUE }* ENDEL

<boundary>  ::= BOUNDARY [ELFLAGS] [PLEX] LAYER DATATYPE XY
<path>      ::= PATH [ELFLAGS] [PLEX] LAYER DATATYPE [PATHTYPE] [WIDTH]
                [BGNEXTN] [ENDEXTN] XY
<sref>      ::= SREF [ELFLAGS] [PLEX] SNAME [STRANS [MAG] [ANGLE]] XY
<aref>      ::= AREF [ELFLAGS] [PLEX] SNAME [STRANS [MAG] [ANGLE]] COLROW XY
<text>      ::= TEXT [ELFLAGS] [PLEX] LAYER TEXTTYPE [PRESENTATION] [PATHTYPE]
                [WIDTH] [STRANS [MAG] [ANGLE]] XY STRING
<node>      ::= NODE [ELFLAGS] [PLEX] LAYER NODETYPE XY
<box>       ::= BOX  [ELFLAGS] [PLEX] LAYER BOXTYPE XY

GDSII 是"开始标记 + 平铺属性 + 结束标记"的扁平语法：没有嵌套长度，层次只靠 BGNSTR/ENDSTR、元素头/ENDEL 两级括号表达。

3.6 各元素的字段语义

元素	XY 内容	关键字段	备注
BOUNDARY	n+1 个点，末点重复首点（显式闭合）	LAYER、DATATYPE	n ≥ 3；n+1 ≤ 8191，故顶点 ≤ 8190。超限多边形写出时须切分：gdstk 由 `write_gds` 的 `max_points` 参数控制，本项目在 `gds_writer.hpp` 中取 `kGdsMaxPoints = 8190`
PATH	中心线顶点	WIDTH（负值 = 绝对宽度，不随 MAG 缩放）；PATHTYPE	PATHTYPE：0 平头(Flush)、1 圆头(Round)、2 延伸半线宽方头(HalfWidth)、4 自定义延伸（长度由 BGNEXTN/ENDEXTN 给出）
SREF	1 点：实例原点	SNAME、STRANS、MAG、ANGLE	SNAME 可引用文件后面才定义的单元
AREF	3 点：P0 原点、P1 列方向终点、P2 行方向终点	COLROW（列数、行数，各 int16）	第 (i,j) 个实例原点 = P0 + i·(P1−P0)/cols + j·(P2−P0)/rows
TEXT	1 点：锚点	TEXTTYPE、PRESENTATION、STRING	不产生掩模图形；用于 LVS 端口/网络命名
BOX	5 点	BOXTYPE	历史遗留，通常按多边形读取
NODE	1~50 点	NODETYPE	电气节点；现代流程基本不用，OASIS 无对应

3.6.1 位字段

记录	掩码	含义
STRANS	0x8000	先关于 X 轴镜像
	0x0004	绝对放大（不与父级 MAG 复合）
	0x0002	绝对角度（不与父级 ANGLE 复合）
PRESENTATION	0x0030	字体号 0~3
	0x000C	垂直对齐：0 上、1 中、2 下
	0x0003	水平对齐：0 左、1 中、2 右

STRANS 的两个"绝对"标志实际很少被工具支持，gdstk 读到时会报 UnsupportedRecord。

3.6.2 库级字段

记录	载荷	说明
HEADER	int16 版本号	3、4、5、600 等；600 即 Release 6.0
BGNLIB / BGNSTR	12 × int16	两组"年月日时分秒"：最后修改、最后访问
UNITS	2 × Real8	[0] 1 DBU 折合多少用户单位；[1] 1 DBU 折合多少米
REFLIBS / FONTS	44 字节定长槽 × 2 / × 4	引用库名、字体文件名；可选

3.7 实例：SRAM.gds 逐字节解剖

样例文件 4096 B，含 1 个单元 "Cell"、45 个 BOUNDARY、分布在 10 个层上（1、2、3、5、6、7、8、40、50、51）。有效内容 3150 B（到 ENDLIB 为止），其后补零至 2048 B 的整数倍。

3.7.1 库头 — 逐记录走读

偏移	原始字节	记录	解码
0	`00 06 00 02 00 05`	HEADER	L=6, type=0x00, dtype=2(int16), payload=`00 05` → 版本 5
6	`00 1C 01 02 00 74 00 07 00 19 00 03 00 2D 00 35 00 74 00 07 00 19 00 03 00 2D 00 35`	BGNLIB	L=28, type=0x01, dtype=2, 12×int16: 修改时间 2016-07-25 03:45:53, 访问时间同上
34	`00 0C 02 06 53 52 41 4D 2E 67 64 73`	LIBNAME	L=12, dtype=6(ASCII): `"SRAM.gds"`
46	`00 14 03 05 3E 41 89 37 4B C6 A7 F0 39 44 B8 2F A0 9B 5A 54`	UNITS	L=20, dtype=5(real8): [0]=0.001 µm/DBU, [1]=1×10⁻⁹ m/DBU → DBU = 1.0 nm

3.7.2 第一个多边形（8 边形、斜边）— 完整记录序列

偏移	字节	记录	字段值
66–93	`00 1C 05 02 …`	BGNSTR	单元时间戳
94–101	`00 08 06 06 43 65 6C 6C`	STRNAME	"Cell"
102–105	`00 04 08 00`	BOUNDARY	(无数据记录)
106–111	`00 06 0D 02 00 01`	LAYER	1
112–117	`00 06 0E 02 00 00`	DATATYPE	0
118–193	`00 4C 10 03 FF FF FE F2 …`	XY	L=76, dtype=3(int32), 9 点（8 边形 + 闭合点）
194–197	`00 04 11 00`	ENDEL	(无数据记录)

3.7.3 XY 坐标展开（第一个多边形，全部 9 点）

#	DBU 整数 (x, y)	物理坐标 (µm)	说明
0	−270, 40	−0.270, 0.040	起点
1	−295, −40	−0.295, −0.040	左下斜边
2	−295, −182	−0.295, −0.182	↓竖直
3	−345, −182	−0.345, −0.182	←水平
4	−345, −40	−0.345, −0.040	↑竖直
5	−370, 40	−0.370, 0.040	左上斜边
6	−370, 182	−0.370, 0.182	↑竖直
7	−270, 182	−0.270, 0.182	→水平（回到 x 起点）
8	−270, 40	−0.270, 0.040	闭合点 = 第 0 点

3.7.4 第二个多边形（矩形）— 完整记录序列

偏移	字节	记录	字段值
198–201	`00 04 08 00`	BOUNDARY
202–207	`00 06 0D 02 00 01`	LAYER	1
208–213	`00 06 0E 02 00 00`	DATATYPE	0
214–257	`00 2C 10 03 FF FF FF 38 …`	XY	L=44, 5 点: (−200,−78)→(−50,−78)→(−50,182)→(−200,182)→(−200,−78)
258–261	`00 04 11 00`	ENDEL
本元素总计 64 B（BOUNDARY 4 + LAYER 6 + DATATYPE 6 + XY 44 + ENDEL 4）

3.7.5 全文件记录统计

记录类型	出现次数
HEADER / BGNLIB / LIBNAME / UNITS / ENDLIB	各 1
BGNSTR / STRNAME / ENDSTR	各 1
BOUNDARY	45
LAYER	45
DATATYPE	45
XY	45
ENDEL	45
合计	233

3.7.6 全部 45 个多边形的层分布

layer	数量	层用途（典型 PDK 含义）
1	16	有源区 (OD / DIFF)
2	7	N 阱 (NWELL)
3	2	P 型注入 (PIMP)
5	1	多晶硅 (PO / POLY)
6	5	接触孔 (CO / CONT)
7	5	第一层金属 (M1 / Metal1)
8	1	第一层通孔 (V1 / Via1)
40	4	N 型注入 (NIMP)
50	1	标记 / 识别层
51	3	另一标记层

3.8 GDSII 的结构性局限

局限	根因	工程影响
体积大	坐标恒 4 B、绝对坐标、闭合点重复、每元素重写层号	先进节点 OPC 后数据量常达数百 GB 级
XY ≤ 8191 点	16 位记录长度	大多边形须切分，增加顶点与边界
坐标 int32	±2.1×10⁹ DBU	DBU 越细，可表达范围越小（0.25 nm DBU 时约 ±0.54 m，仍够用）
layer/datatype 原为 0~255	早期规范	现代工具普遍扩展到 0~32767（int16）甚至无符号 16 位
无索引	纯顺序流	读一个单元也要扫全文件；无法并行读
只有引用能阵列化	AREF 只能阵列化单元引用	重复的多边形（如通孔阵列）只能逐个存或另建单元
无完整性校验	无校验和字段	传输损坏需依赖外部 MD5/SHA

4. OASIS：逐字节拆解

4.1 设计思路：逐项消灭 GDSII 的冗余

GDSII 冗余	OASIS 机制	典型收益
每条记录 4 B 头	1 B 记录号，长度由内容自推导	小元素头开销降 75%
整数恒 2/4 B	变长整数（7 bit/字节）	小数值 1 B
绝对坐标	首点 + 增量；XYRELATIVE 模式下位置也相对上一元素	增量远小于绝对值
曼哈顿多边形存 x、y 两个分量	点列表类型 0/1：每点只存一个分量；末点隐含	矩形 2 个数
矩形存 5 点	RECTANGLE：宽、高（正方形只存一个）	—
每元素重写层号、宽度等	模态变量：省略即沿用上一个值	同层连续图形省掉层号
只能阵列化引用	任意元素可带重复（12 种模式：矩阵、单行、显式偏移、斜格、散点…）	通孔阵列 1 条记录
引用名每次写全	名称表 + 整数索引	长单元名只存一次
剩余统计冗余	CBLOCK：DEFLATE 压缩任意记录段	再降一截
无索引、无校验	END 中的表偏移、单元偏移属性、CRC32/校验和	随机访问、并行读、完整性验证

4.2 文件骨架


"%SEMI-OASIS\r\n"                                     magic, 13 bytes
START  version="1.0"  unit  offset-flag  [6 x (flag, offset)]   if offset-flag == 0
{ PAD | PROPERTY | name-record }*
{ CELL_REF_NUM(index) | CELL(name)
      { XYABSOLUTE | XYRELATIVE | PLACEMENT | PLACEMENT_TRANSFORM | TEXT
      | RECTANGLE | POLYGON | PATH | TRAPEZOID* | CTRAPEZOID | CIRCLE
      | PROPERTY | LAST_PROPERTY | XELEMENT | XGEOMETRY | CBLOCK | PAD }*
}*
name-record ::= CELLNAME | TEXTSTRING | PROPNAME | PROPSTRING | LAYERNAME | XNAME
                (may appear before, between or after cells)
END  [6 x (flag, offset)]  padding(b-string)  validation-scheme  [signature 4B]
     -> END record is padded to exactly 256 bytes

4.3 基本编码

4.3.1 整数（Varint）

类型	编码	例
unsigned-integer	小端 7 bit 分组，每字节最高位 = "后面还有"	300 = 0b1_0010_1100 → `AC 02`
signed-integer	先把 (\|v\|<<1) \| sign 作为无符号数编码	−200 → 401 → `91 03`；+150 → 300 → `AC 02`

4.3.2 实数（首字节为类型标记）

类型	含义	后续内容
0 / 1	正 / 负整数	unsigned
2 / 3	正 / 负倒数 1/n	unsigned n
4 / 5	正 / 负分数 n/d	unsigned n, unsigned d
6	IEEE float32	4 B 小端
7	IEEE float64	8 B 小端

写出器应优先用精确的整数/倒数/分数形式；只有无法精确表示时才退化为浮点。本文样例就是反例：1e-6 / 1e-9 在 IEEE 754 双精度下算得 999.9999999999999 而非 1000，gdstk 只能写成 9 字节的 float64，而不是 1 字节的整数（见 §4.11.1）。

4.3.3 字符串

类型	允许字符	用途
a-string	可打印 ASCII + 空格（0x20–0x7E）	文本标注
b-string	任意字节	二进制属性值、END 填充
n-string	可打印且无空格（0x21–0x7E），长度 > 0	单元名、属性名

三者编码相同：unsigned 长度 + 原始字节。

4.3.4 位移量（Delta）

类型	方向	编码	用于
1-delta	单轴	signed-integer	曼哈顿点列表（type 0/1）、梯形腰部偏移
2-delta	4 方向 (E/N/W/S)	unsigned：低 2 bit 方向，其余为长度	曼哈顿任意序点列表（type 2）
3-delta	8 方向 (含 NE/NW/SW/SE)	unsigned：低 3 bit 方向，其余为长度	八角点列表（type 3）
g-delta 形式 1	8 方向	unsigned：bit0=0，bit1–3 方向，>>4 为长度	任意角度点列表（type 4/5）、重复向量
g-delta 形式 2	任意方向	unsigned：bit0=1，bit1 = x 符号，>>2 为 \|x\|；再跟一个 signed y	同上

4.4 记录类型表

ID	记录	ID	记录
0	PAD	17	PLACEMENT（90° 倍数旋转）
1	START	18	PLACEMENT_TRANSFORM（任意角度/放大）
2	END	19	TEXT
3 / 4	CELLNAME（隐式 / 显式编号）	20	RECTANGLE
5 / 6	TEXTSTRING	21	POLYGON
7 / 8	PROPNAME	22	PATH
9 / 10	PROPSTRING	23–25	TRAPEZOID（AB / A / B）
11 / 12	LAYERNAME（几何层 / 文本层）	26	CTRAPEZOID（26 种预定义）
13	CELL_REF_NUM（按索引引用单元）	27	CIRCLE
14	CELL_NAME（按名称引用单元）	28 / 29	PROPERTY / LAST_PROPERTY
15	XYABSOLUTE	30 / 31	XNAME
16	XYRELATIVE	32 / 33	XELEMENT / XGEOMETRY
		34	CBLOCK（DEFLATE 压缩块）

4.5 info 字节：每条元素记录的"存在位图"

几何、引用、文本记录紧跟一个 info 字节，每一位表示某个字段本条是否显式给出；未给出的字段取对应模态变量的当前值。

记录	bit7	bit6	bit5	bit4	bit3	bit2	bit1	bit0
RECTANGLE	S 正方形	W 宽	H 高	X	Y	R 重复	D 类型	L 层
POLYGON	0	0	P 点列表	X	Y	R	D	L
PATH	E 端头	W 半宽	P	X	Y	R	D	L
TRAPEZOID	O 竖向	W	H	X	Y	R	D	L
CTRAPEZOID	T 形状码	W	H	X	Y	R	D	L
CIRCLE	0	0	r 半径	X	Y	R	D	L
TEXT	0	C 显式文本	N 按索引	X	Y	R	T 文本类型	L 文本层
PLACEMENT	C 显式单元	N 按索引	X	Y	R	AA k×90°		F 镜像
PLACEMENT_TRANSFORM	C	N	X	Y	R	M 放大	A 角度	F
PROPERTY	UUUU 值个数（15=另读）				V 沿用	C 显式名	N 按索引	S 标准属性

字段在字节流中的出现顺序与位顺序不一定相同（例如 POLYGON 的字段顺序为 L → D → P → X → Y → R），以规范为准。

4.6 模态变量：OASIS 解析器的核心状态

模态变量	被谁读写
xy-mode（绝对/相对）	XYABSOLUTE / XYRELATIVE 设置；影响所有位置字段
placement-x / placement-y	PLACEMENT*
geometry-x / geometry-y	所有几何记录共享
text-x / text-y	TEXT
layer / datatype	所有几何记录共享
textlayer / texttype	TEXT
geometry-w / geometry-h	RECTANGLE、TRAPEZOID、CTRAPEZOID
polygon-point-list / path-point-list	POLYGON / PATH
path-halfwidth / start-extension / end-extension	PATH
ctrapezoid-type / circle-radius	CTRAPEZOID / CIRCLE
repetition	所有可重复记录共享（重复类型 0 = 沿用）
placement-cell / text-string	PLACEMENT* / TEXT
last-property-name / last-value-list	PROPERTY

时机	规则
文件开始、每个 CELL 开始	xy-mode = 绝对，三组位置 = (0, 0)；其余模态变量变为"未定义"
引用未定义的模态变量	文件非法，解析器应报错
相对模式	本条位置 = 上一条同类（几何/引用/文本各自独立）元素位置 + 本条增量

推论：OASIS 记录不能脱离上下文单独解析——要知道一个多边形在哪一层，必须从它所在 CELL 的开头顺序执行到它。这也是单元成为最小随机访问单位的原因。

4.7 点列表类型

类型	适用	每点编码	多边形闭合
0	曼哈顿，先水平	1-delta，水平/垂直交替	最后两条边隐含，不写
1	曼哈顿，先垂直	1-delta，垂直/水平交替	同上
2	曼哈顿，任意顺序	2-delta	最后一条边隐含
3	八角（0°/45°/90°…）	3-delta	同上
4	任意角度	g-delta（相对首点逐点累加）	同上
5	任意角度	g-delta，增量为二阶差分	同上

4.8 重复（Repetition）

任何几何、引用、文本都可携带重复，副本数 = 1（原件）+ 偏移数。计数字段统一存"总数 − 2"。

类型	形状	字段
0	沿用上一个	无
1	正交矩阵	cols−2, rows−2, dx, dy
2 / 3	单行 / 单列	n−2, 间距
4 / 5	X 不等距 / 带网格倍数	n−2, [grid], 逐个间距
6 / 7	Y 不等距 / 带网格倍数	同上
8	斜格矩阵	n−2, m−2, 两个 g-delta 向量
9	斜向单行	n−2, 一个 g-delta 向量
10 / 11	任意散点 / 带网格倍数	n−2, [grid], 逐个 g-delta

4.9 名称表与前向引用

名称表（CELLNAME、TEXTSTRING、PROPNAME、PROPSTRING、LAYERNAME）可以出现在文件末尾——gdstk 就把所有表写在单元之后。因此读取器要么先用 END 中的表偏移跳过去读表，要么先存索引、读到 END 后统一回填名字。

4.10 CBLOCK 与 END

CBLOCK 存储 raw DEFLATE（RFC 1951，无 zlib header，对应 inflateInit2(…, -15)）压缩的普通记录序列；典型写法是一个单元体一个 CBLOCK。CBLOCK 不可嵌套。

END 记录恰好 256 B，包含 6 张名称表的文件偏移、b-string 填充和校验方案（0=无、1=CRC32、2=checksum32）。读取器可直接 seek 到距文件尾 256 B 处读取。

4.11 实例：SRAM.oas 逐字节解剖

由 SRAM.gds 经 gdstk 转换而来（write_oas，DEFLATE 级别 6，config_flags=0：不检测矩形、不写标准属性、不写校验）。文件 698 B。

4.11.1 顶层记录走读

偏移	原始字节	记录	解码
0–12	`25 53 45 4D 49 2D 4F 41 53 49 53 0D 0A`	magic	`"%SEMI-OASIS\r\n"`
13	`01`	START	记录 ID 1
14–17	`03 31 2E 30`	版本	"1.0"（a-string：长度 3 + 3 字节内容）
18–26	`07 FF FF FF FF FF 3F 8F 40`	unit	类型 7 (float64)，值 ≈ 999.9999999999999（为何不是整数 1000 见 §4.3.2）
27	`01`	offset-flag	1 = 表偏移在 END 里
28–29	`0D 00`	CELL_REF_NUM	单元名索引 0（对应后面的 CELLNAME 表第 0 项）
30–35	`22 00 FB 04 90 03`	CBLOCK	comp-type=0(DEFLATE)，uncomp=635 B，comp=400 B
36–435	（400 B）	DEFLATE 数据	解压后为 45 个 POLYGON 记录
436–441	`03 04 43 65 6C 6C`	CELLNAME_IMPLICIT	索引 0 = "Cell"
442	`02`	END	记录 ID 2
443–445	`01 B4 03`	CELLNAME 表	flag=1(strict), offset=436 (0x01B4)
446–455	`01 00`×5	其余 5 表	均 flag=1，offset=0（表不存在）
456–696	`EF 01`+239×`00`	填充 b-string	长度 239
697	`00`	校验方案	0（无校验）
END 合计 256 B ✓（偏移 442–697：记录号 1 + CELLNAME 表 3 + 其余 5 表 10 + 填充 241（长度 2 + 内容 239）+ 校验方案 1）

4.11.2 解压后的前两个多边形 — 逐字节解码

多边形 #0（8 顶点斜边，对应 GDS 层 1）：

字节	含义	详细解码
`15`	记录 ID 21 = POLYGON
`3B`	info = 00111011	bit0=1(L), bit1=1(D), bit3=1(Y), bit4=1(X), bit5=1(P) → layer, datatype, x, y, point-list 均显式
`01`	layer = 1	unsigned-integer, 1 字节
`00`	datatype = 0	unsigned-integer, 1 字节
`04`	点列表类型 = 4	"arbitrary"（有斜边，用 g-delta）
`07`	点数 = 7	unsigned-integer, 1 字节
`67`	g-delta #1	形式 2: 0x67=103, bit0=1→形式2, bit1=1→x为负, x=103>>2=25→−25; y=…
7 个 g-delta 完整解码：(−25,−80), (0,−142), (−50,0), (0,142), (−25,80), (0,142), (100,0)
`9D 04`	x 位置	signed-integer → −270
`50`	y 位置	signed-integer → 40
首点 (x,y)=(−270,40)，绝对顶点序列： (−270,40), (−295,−40), (−295,−182), (−345,−182), (−345,−40), (−370,40), (−370,182), (−270,182) → 回到原点
本元素 25 B；同一多边形在 GDSII 中 96 B

多边形 #1（矩形，对应 GDS 层 1）：

字节	含义	详细解码
`15 3B 01 00`	POLYGON, info, layer=1, datatype=0	同前
`00`	点列表类型 = 0	"manhattan_horizontal"（曼哈顿，先水平，用 1-delta）
`02`	点数 = 2	类型 0：Δx, Δy（第 3、4 点隐含，不写）
`AC 02`	1-delta Δx = +150	signed-integer: 300>>1=150
`88 04`	1-delta Δy = +260	signed-integer: 520>>1=260
`91 03`	x = −200	signed-integer: 401>>1=200, LSB=1→负
`9D 01`	y = −78	signed-integer: 157>>1=78, LSB=1→负
矩形：(−200,−78) × 150 × 260。本元素 14 B；同一矩形在 GDSII 中 64 B

4.11.3 全部 45 个 OASIS 多边形解码汇总

以下是通过解析脚本解出的全部 45 个多边形的层、类型、点数和字节大小。完整解码数据见 §9.5。

#	layer	datatype	点列表类型	delta 数	字节	首点 (DBU)
0	1	0	4 (arbitrary)	7	25	(−270, 40)
1	1	0	0 (manhattan)	2	14	(−200, −78)
2	1	0	0	2	13	(50, 77)
3	1	0	4	7	25	(270, −40)
…	（共 45 个；各记录字节数之和 635 B，与 CBLOCK 声明的解压尺寸一致）

各多边形按层统计与 GDS 完全一致：layer 1—16 个、layer 2—7 个、layer 3—2 个、layer 5—1 个、layer 6—5 个、layer 7—5 个、layer 8—1 个、layer 40—4 个、layer 50—1 个、layer 51—3 个。几何无损，层与坐标完全对应。

5. GDSII 与 OASIS 对比

5.1 结构对比

维度	GDSII	OASIS
记录头	4 B（长度 + 类型 + 数据类型）	1 B 记录号
整数	定长 int16/int32，大端	变长 7 bit 分组
实数	Real8（底 16，excess-64）	整数/倒数/分数/IEEE float32/64
坐标	绝对，int32	增量 + 模态位置；格式本身不限位宽（实现多用 int64）
上下文	无状态，每条记录可独立理解	有状态，依赖模态变量
基本几何	BOUNDARY、PATH、BOX	RECTANGLE、POLYGON、PATH、TRAPEZOID、CTRAPEZOID、CIRCLE
重复	仅 AREF	12 种重复，适用于任意元素
名字	内联 ASCII	名称表 + 索引
压缩	无	内建 CBLOCK（DEFLATE）
索引/随机访问	无	END 表偏移 + S_CELL_OFFSET
完整性	无	CRC32 / checksum32
多边形顶点上限	8190	无格式上限

5.2 体积实测

对象	GDSII	OASIS	比例
一个矩形	64 B	14 B	4.6 : 1
一个 8 顶点斜边多边形	96 B	25 B	3.8 : 1
单元体（45 个多边形）	3080 B	635 B（未压缩）/ 400 B（DEFLATE）	4.9 : 1 / 7.7 : 1
整个文件	4096 B（含 946 B 填充）	698 B（含 256 B END）	5.9 : 1

样例极小，固定开销（END 256 B）占比高。真实全芯片数据中，OASIS 文件通常比 GDSII 小一个数量级左右。

5.3 互转的信息损失

转换路径	几何	丢失/改变
GDSII → OASIS	无损	BGNLIB/BGNSTR 时间戳、HEADER 版本号无处存放；NODE 丢弃；BOX 变 POLYGON
OASIS → GDSII	通常无损	CIRCLE 须多边形化（引入近似误差）；非引用元素上的重复须展开或另建单元；超 8190 顶点须切分

6. 解析器如何工作

6.1 GDSII 读取：两遍式流解析

对应于 gdstk read_gds (library.cpp)


loop:
    read 4 bytes -> L(u16 BE), rec, dtype ;  require L >= 4
    read L-4 bytes payload ; byte-swap by dtype (2/4/8-byte units)
    switch rec:
      UNITS     : factor = db_in_meters / target_unit
      BGNSTR    : cell = new Cell
      STRNAME   : cell.name = payload ; library.cells += cell
      BOUNDARY/BOX : cur = new Polygon            -> cell.polygons
      PATH      : cur = new Path                  -> cell.paths
      SREF/AREF : cur = new Reference(mag=1)      -> cell.refs
      TEXT      : cur = new Label                 -> cell.labels
      LAYER/DATATYPE/TEXTTYPE/WIDTH/... : set field on cur
      XY        : polygon -> points * factor (drop repeated closing point at ENDEL)
                  ref     -> origin; if AREF: derive column/row vectors from P1, P2
      ENDEL     : cur = null
      SNAME     : cur.target_name = payload       # may be FORWARD reference
      ENDLIB    : build map name -> cell ; resolve every ref.target_name ; done
      other     : warn "unsupported record", skip

要点	说明
第二遍只解析引用	SNAME 可能指向后面才出现的单元，必须在 ENDLIB 后统一建名字表回填
坐标立即乘 factor	DBU 整数 → 物理单位；Fab 内部工具通常保持整数不转浮点
未知记录可跳过	长度自描述，跳过不影响后续——这是 GDSII 健壮性的来源
按层过滤可在读时完成	ENDEL 时检查 (layer, datatype) 不在白名单即丢弃，大幅省内存

6.2 OASIS 读取：状态机 + 延迟名字解析

对应于 gdstk read_oas (library.cpp)


check 14 bytes == "%SEMI-OASIS\r\n" + START(0x01)
version = string ; require "1.0"
unit    = real   ; factor = 1/unit ; precision = 1e-6 * factor
offset_flag = uint ; if 0: read 12 uints (table offsets in START)
modal = { xy_absolute: true, positions: (0,0), others: undefined }

loop: rec = 1 byte
    CELL_REF_NUM/CELL : new cell ; reset positions & xy-mode
    XYABSOLUTE/XYRELATIVE : set xy-mode
    RECTANGLE/POLYGON/PATH/TRAPEZOID/... :
        info = 1 byte
        for each field in record order:
            if info bit set: read field, update modal variable
            use modal variable value            # error if still undefined
        position = absolute ? value : modal_pos + value
        if R bit: read repetition (type 0 = reuse modal repetition)
    PROPERTY      : attach to the most recent element/cell/name record
    CELLNAME/...  : append to name tables
    CBLOCK        : inflate raw DEFLATE -> switch input to decompressed buffer
    END           : resolve cell/text/property indices via name tables ; resolve refs ; done

要点	说明
输入透明切换	CBLOCK 解压后从内存缓冲取字节，状态机无感知
属性挂载靠"最近对象"指针	PROPERTY 没有显式归属字段，挂在最近完成的元素或名称记录上
大文件并行化	先读 END（文件尾 256 B）→ 名称表偏移 → CELLNAME 及其 S_CELL_OFFSET → 各线程从各自偏移解析单元

7. Fab 如何解析版图并完成芯片生产

7.1 全流程总览

图 7-1芯片制造全流程 — 从版图文件到封装成品，12 个阶段跨越 4 个团队

设计公司

[0] 交付 GDS/OAS + TOF

▼

Fab / MDP 团队

1. 接收
完整性校验

→

2. 解析
单位/网格

→

3. 层映射
布尔运算

→

4. 拼版
划片道/标记

→

5. 签核复查
DRC/LVS

→

6. Dummy Fill
密度均衡

→

7. RET/OPC
SRAF/ILT

→

8. OPC 验证
ORC/LFD/MRC

→

9. MDP
碎化/MPC

▼

掩模厂

10. 掩模制造：写入 → 检测 → 修补 → 贴保护膜

▼

晶圆厂

11. 晶圆制造：光刻 / 刻蚀 / 注入 / CMP，逐层循环 N 次

→

12. 测试与封装：WAT / CP / 切割 / 封装 / FT

■ 前处理■ RET/OPC 迭代■ MDP + 掩模■ 最终产出

阶段	输入	输出	数据量变化
[1]–[6]	层次化 GDS/OAS 设计层	层次化掩模层数据	小幅增加（Frame、Fill）
[7]–[8]	掩模层目标图形	OPC 后掩模图形（通常 OASIS）	顶点数显著膨胀，层次部分被破坏
[9]	OPC 后多边形	写入机专用格式	再膨胀；按掩模扁平化
[10]	写入机格式	物理掩模	数据 → 实物
[11]–[12]	掩模组	晶圆 → 芯片	—

7.2 [0] 设计方交付物

交付物	内容	Fab 用途
版图文件	GDSII 或 OASIS，单一顶层单元	全部后续处理的输入
Tape-out 表单（TOF）	工艺/PDK 版本、顶层单元名、芯片尺寸、掩模层清单、光罩类型、是否 MPW	决定做哪些掩模、用哪套规则
层映射/层使用说明	用到的 (layer, datatype) 列表	核对漏层、多层
签核报告	DRC、LVS、天线、密度、ERC 结果及豁免（waiver）	Fab 复查的比对基线
校验和	MD5 / SHA 值	确认传输完整、版本正确

7.3 [1]–[2] 数据接收、解析与归一化

#	检查项	方法	不通过的后果
1	文件完整	校验和比对；OASIS 另验 CRC32/checksum	传输损坏、版本错
2	格式合法	GDSII：记录长度 ≥ 4、偶数、语法次序；OASIS：magic、版本、模态变量无未定义使用、CBLOCK 可解压、END 恰 256 B	解析失败或静默错读
3	单位与网格	UNITS / START 与 PDK 规定一致；所有顶点落在制造网格上	整体缩放错误（最严重）；off-grid 吸附产生毛刺
4	顶层单元	DAG 中无父节点的单元唯一，且与 TOF 中名称一致	拿错顶层，做出另一颗芯片
5	引用闭合	所有引用（SNAME / 单元索引）都能解析；无环	缺图形；展开死循环
6	单元名冲突	与 Fab 要合并的 IP、Frame 单元不重名	合并时被静默替换
7	变换合法	只允许 90° 倍数旋转、镜像、MAG = 1（多数 PDK）	off-grid
8	多边形合法	不自交、非零面积、无重复点、无锐角尖刺	布尔运算与 OPC 异常
9	层清单	实际出现的 (layer, datatype) ⊆ PDK 层表且与 TOF 一致	漏做掩模或混入非法层
10	尺寸	顶层包围盒 = 声明的芯片尺寸且 ≤ 曝光场	拼版冲突

7.4 [3] 层映射：设计层 → 掩模层

设计层是"设计意图"，掩模层是"每次曝光的图形"。两者由 PDK 规定的布尔运算与尺寸调整生成。

掩模层（示意）	生成规则（示意）	说明
有源区 OD	DIFF.drawing OR DIFF.dummy	设计图形与填充合并
N 阱 NW	NWELL.drawing	直接映射
多晶 PO	POLY.drawing OR POLY.dummy	先进节点另有 PO cut 掩模
N+ 注入 NP	NIMP.drawing, 或由 (OD NOT PIMP) SIZE +x 自动生成	注入层常由工艺规则推导
阈值调节注入	VT 标记层 AND 栅区域	标记层本身不上掩模
M1 颜色 A / B	M1 按 datatype（颜色）拆分	多重曝光：一层设计 → 多张掩模
钝化开口	PAD.drawing SIZE −y	尺寸偏置补偿

每张掩模还需确定	含义
Tone / 极性	图形在掩模上是遮光（暗）还是透光（亮）——Clear/Dark field
镜像	掩模朝向（Right/Wrong reading），由光刻机光路决定
倍率	DUV/EUV 扫描机为 4× 缩小，掩模图形为晶圆图形的 4 倍
掩模类型	二元铬掩模、衰减相移（MoSi）、EUV 反射式掩模等

7.5 [4] Frame：拼版与辅助结构

结构	位置	作用
密封环（Seal ring）	die 四周	阻挡切割裂纹与水汽
划片道（Scribe line）	die 之间	切割通道，承载测试/对准结构
PCM / WAT 测试键	划片道	测晶体管、电阻、电容等参数
对准标记	划片道 / 版面边缘	每层曝光时光刻机对准前层
套刻标记（Overlay）	划片道	测量层间对准误差
CD 量测结构	划片道	CD-SEM 测线宽
掩模条码、名称、版本	版面边缘	掩模追溯

拼版参数	典型值
晶圆面最大曝光场	26 mm × 33 mm（High-NA EUV 为其一半）
掩模面图形区	4 倍：104 mm × 132 mm
掩模基板	6025：6 英寸 × 6 英寸 × 0.25 英寸石英
MPW（多项目晶圆）	多个客户 die 共享一个 Frame，按格位排布

7.6–7.7 [5]–[6] 签核复查与 Dummy Fill

检查	输入	目的
DRC	完整 Frame 后的数据	用 Fab 内部最新规则复跑；检查 die 与 Frame 交界
LVS（可选）	版图 + 网表	确认版图与电路一致；依赖 TEXT 标注确定端口
天线检查	金属/栅面积比	防止刻蚀充电击穿栅氧
密度检查	按窗口统计各层覆盖率	为 CMP 与刻蚀均匀性做准备

Dummy Fill：在空白处按规则插入不连电的填充图形，使每个统计窗口密度落在标准区间内，防止 CMP 凹陷或过刻。填充图形通常放在专门的 datatype，便于 LVS 忽略。

7.8 [7] RET / OPC：让图形"印得出来"

技术	做法	对数据的影响
规则 OPC	按查表规则加偏置、线端锤头（hammerhead）、角部衬线（serif）	顶点数小幅增加
模型 OPC	边切为小段，按光刻/光刻胶/刻蚀模型迭代移动至仿真轮廓与目标一致	顶点数大幅增加；同一单元在不同环境下 OPC 结果不同，层次被打散
SRAF（亚分辨率辅助图形）	在孤立图形旁加入不成像的细小图形，改善焦深	新增大量小多边形
ILT（反演光刻）	把掩模当作待优化的像素/曲线场，直接求最优解	曲线图形，数据量最大
多重曝光拆分	LELE：着色拆成多张掩模；SADP/SAQP：芯轴+切割掩模	一层 → 多张掩模

OPC 后的数据几乎都用 OASIS 交付——这是 OASIS 在产业中真正普及的场景。

7.9–7.10 [8]–[9] OPC 后验证与 MDP

步骤	内容
ORC / LFD	多焦距/剂量条件下仿真，生成 PV-band，找桥连、断线等热点；热点回馈 OPC 重做或退回设计修改
MRC	检查掩模本身的最小线宽/间距、碎小台阶（jog）、细条（sliver）
Fracture（碎化）	多边形切为 VSB 可曝光的矩形/三角/梯形；控制 shot 数（决定写入时间）、避免过窄 sliver
MPC / PEC	掩模工艺修正 + 电子束邻近效应修正 + 雾化/负载效应修正
格式转换	输出写入机格式：VSB11/12（NuFlare）、JEOL52（JEOL）、OASIS.MASK（SEMI P44）；多束写入机取多边形/曲线并在机内实时栅格化
Job deck	描述掩模版面：图形数据位置、阵列方式、条码/标记、tone、镜像、倍率
数据回读验证	把写入格式反渲染，与 OPC 后数据做 XOR 比对，确认无丢失

7.11 [10] 掩模制造

工序	内容	与版图数据的关系
空白基板	石英+遮光层（铬/MoSi）+光刻胶；EUV 为 Mo/Si 多层反射膜+吸收层	由 TOF 中的掩模类型决定
写入	电子束（关键层）或激光（非关键层）按 MDP 数据曝光	直接执行碎化后的 shot
显影、刻蚀、去胶	把胶图形转到遮光层	—
量测	CD、套准（registration）、相位/透过率	量测点位来自数据中的量测结构
缺陷检测	Die-to-Database：MDP 数据渲染为参考图，与掩模实拍图逐点比对	版图数据第二次被"执行"
修补	电子束诱导沉积/刻蚀、纳米机械修补	按缺陷坐标定位
可印性验证	AIMS 空间像测量：模拟光刻机成像判断残留缺陷是否会印到晶圆	—
贴保护膜	Pellicle 距掩模面数毫米的透明薄膜，使落尘处于离焦面	—
出货	进入掩模库，按层绑定工艺路线	掩模 ID ↔ 层 ↔ 版本

7.12 [11] 晶圆制造：单层循环

步骤	内容	版图数据在此的体现
1. 前处理/涂胶	清洗、涂底、旋涂光刻胶、前烘	—
2. 对准	扫描机定位前层对准标记	Frame 中的对准标记
3. 曝光	步进扫描，4× 缩小，逐场曝光整片晶圆	掩模 = 该层几何
4. 后烘/显影	形成光刻胶图形	—
5. 量测	CD-SEM 测线宽，套刻机台测层间偏差	量测结构、套刻标记
6. 图形转移	刻蚀（成形）或离子注入（掺杂）	胶图形决定作用区域
7. 去胶/清洗	—	—
8. 薄膜/平坦化	沉积（CVD/PVD/ALD/电镀）、CMP	Dummy Fill 保证 CMP 均匀

7.13 掩模层在工艺中的顺序（逻辑工艺示意）

段	典型掩模	形成的结构
FEOL	OD（有源区）→ NW/PW（阱）→ VT 注入 → PO（栅）/PO cut → LDD/Halo → NP/PP（源漏）→ SAB（硅化物阻挡）	晶体管
MEOL	CO / 局部互连	器件到第一层金属
BEOL	M1 → V1 → M2 → … → 顶层金属（多重曝光层每层多张掩模）	互连
封装	PAD 开口、RDL、凸点	对外连接

掩模总数：成熟节点数十张，先进逻辑节点可达 60–80 张以上；工艺步骤数以千计，周期数月。

7.14 [12] 测试、切割与封装

工序	内容	与版图的关系
WAT	探针测划片道上的 PCM 测试键	测试键来自 Frame
CP（中测）	探针卡逐 die 测功能，标记坏片	探针位置 = PAD 坐标
减薄、切割	沿划片道切开	划片道位置来自 Frame
封装	贴片、键合/倒装、塑封	PAD/凸点布局
FT（终测）	封装后全功能、全温度测试	—

7.15 版图文件的每个要素去了哪里

文件要素	在制造链中的去向
UNITS / START unit	[2] 网格校验；所有后续坐标的物理含义
顶层单元	[2] 确定芯片；[4] 放入 Frame
单元与引用（SREF/AREF/PLACEMENT/重复）	[5]–[7] 层次化 DRC/OPC 加速；[9] 按需展平
(layer, datatype)	[3] 经布尔运算映射为掩模层；决定图形落在哪张掩模
多边形 / 路径	[7] OPC 目标 → [9] 碎化为 shot → [10] 掩模上的铬/吸收层图形 → [11] 晶圆结构
TEXT 标注	[5] LVS 端口与网络命名；一般不上掩模
属性	多为工具元数据；Fab 流程通常忽略
时间戳 / 库名	仅追溯用

8. 总结

问题	答案
版图文件的本质	一组按层分类、整数网格上的多边形，加上把它们组织成 DAG 的单元引用
GDSII 的本质	"4 字节头 + 定长载荷"的无状态记录流；简单、健壮、冗余大
OASIS 的本质	同一数据模型的紧凑编码：变长整数、增量坐标、模态变量、通用重复、名称表、块压缩、尾部索引
选择依据	交换与兼容：GDSII；OPC 后、超大规模、需要并行读取：OASIS
Fab 对文件的处理	校验 → 解析 → 层映射 → 拼版 → 复查 → 填充 → OPC → 验证 → 碎化 → 写掩模 → 逐层光刻
最致命的错误	单位/网格、顶层单元、层映射错误——不会让工具报错，却会让整套掩模报废

9. 附录

9.1 gdstk 核心架构

gdstk（github.com/heitzmann/gdstk）是用 C++ 实现、带 Python 绑定的 GDSII/OASIS 读写库。核心类结构见图 9-1，读写调用链见图 9-2。

图 9-1gdstk 核心类结构 — Library 持有 Cell，Cell 持有多种元素

«根对象» Library

− name : string
− unit : double (m/DBU)
− precision : double
− cells : Array<Cell>
+ read_gds(filename)
+ read_oas(filename)
+ write_gds(filename)
+ write_oas(filename)
+ top_level() : Cell*[]
+ new_cell(name) : Cell*

1 : N

→

Cell

− name : string
− polygons : Array<Polygon>
− paths : Array<FlexPath>
− references : Array<Reference>
− labels : Array<Label>
（DAG：只存向下引用，不存父指针）

→

Polygon

Reference

Label

FlexPath

RobustPath

各元素的关键字段

元素	关键字段 / 说明
Polygon	layer, datatype, point_array (Array<Vec2>) + area(), bounding_box(), filter()…
Reference	type(SREF/AREF), cell_name, origin, rotation, mag, x_reflection, columns, rows + get_bounding_box()
Label	layer, texttype, origin, text, rotation, mag, presentation, anchor
FlexPath	spine(Array<Vec2>), end_type, end_extensions, bend_type, join_type, elements[] = half_width + offset
RobustPath	独立类（不继承 FlexPath）：宽度/偏移可为函数，急弯与自交处理更鲁棒；写出时转为多边形或 Path

图 9-2gdstk 读写数据流 — 四种 I/O 路径的函数调用链

写出

write_gds

→

library.cpp
max_points（本项目取 8190）

→

.gds 字节流

write_oas

→

library.cpp（状态机）
oasis.cpp（基础编码）

→

.oas 字节流

config_flags：检测矩形/梯形、写标准属性、CRC32 / checksum32 校验
deflate_level：0–9（默认 6），CBLOCK 压缩级别

读入

.gds 字节流

→

gdsii.cpp（记录读取器）
gdsii_read_record()

→

library.cpp（状态机）
read_gds()

Real8 编解码：
gdsii_real_to_double()
gdsii_real_from_double()

.oas 字节流

→

oasis.cpp（变长解码）
read_unsigned/signed/real…

→

library.cpp（状态机）
read_oas()

解码函数：
oasis_read_unsigned_integer()
oasis_read_signed_integer()
oasis_read_real()
oasis_read_gdelta()
oasis_read_repetition()
inflate（CBLOCK）

9.2 关键源码位置（github.com/heitzmann/gdstk）

主题	源文件
GDSII 记录类型枚举、数据类型常量	`include/gdstk/gdsii.hpp`
Real8 编解码（GDSII 实数 ↔ IEEE double）	`src/gdsii.cpp`（gdsii_real_to_double / gdsii_real_from_double）
GDSII 记录读取器（字节 → 记录）	`src/gdsii.cpp`（gdsii_read_record）
GDSII 完整读写状态机	`src/library.cpp`（read_gds / write_gds）
OASIS 记录/点列表/重复类型常量	`include/gdstk/oasis.hpp`
OASIS 基础编码（varint、实数、delta、点列表、重复）	`src/oasis.cpp`
OASIS 完整读写状态机 + CBLOCK inflate	`src/library.cpp`（read_oas / write_oas）
写出参数（多边形点数上限、DEFLATE 级别、config_flags）	`include/gdstk/library.hpp`（write_gds 的 max_points；write_oas 的 deflate_level / config_flags）
格式说明文档	`doc/manual/ch05_formats.rst`、`ch09_internals.rst`

9.3 GDSII 记录级解码脚本

以下 Python 脚本将任意 .gds 文件解析为记录级 JSON。它对每条记录输出偏移、类型名、数据类型和解码后字段，可直接验证本文 §3.7 中所有字节声明。

gds_records.py — GDSII 记录级解码器


"""GDSII 原始记录级解析器 — 逐条记录解码为 JSON。"""
import json, struct

RECORD_NAMES = {
    0x00:"HEADER",0x01:"BGNLIB",0x02:"LIBNAME",0x03:"UNITS",0x04:"ENDLIB",
    0x05:"BGNSTR",0x06:"STRNAME",0x07:"ENDSTR",0x08:"BOUNDARY",0x09:"PATH",
    0x0A:"SREF",0x0B:"AREF",0x0C:"TEXT",0x0D:"LAYER",0x0E:"DATATYPE",
    0x0F:"WIDTH",0x10:"XY",0x11:"ENDEL",0x12:"SNAME",0x13:"COLROW",
    0x15:"NODE",0x16:"TEXTTYPE",0x17:"PRESENTATION",0x19:"STRING",
    0x1A:"STRANS",0x1B:"MAG",0x1C:"ANGLE",0x1F:"REFLIBS",0x20:"FONTS",
    0x21:"PATHTYPE",0x22:"GENERATIONS",0x26:"ELFLAGS",0x2B:"PROPATTR",
    0x2C:"PROPVALUE",0x2D:"BOX",0x2F:"PLEX",0x30:"BGNEXTN",0x31:"ENDEXTN",
    0x36:"FORMAT",
}

def decode_real8(raw):
    v=struct.unpack(">Q",raw)[0]
    s=-1.0 if v&0x8000000000000000 else 1.0
    e=((v>>56)&0x7F)-64
    m=v&0x00FFFFFFFFFFFFFF
    return 0.0 if m==0 else s*(m/float(1<<56))*(16.0**e)

def parse(path):
    blob=open(path,"rb").read()
    doc={"header":None,"libname":None,"units":None,"structures":[]}
    cur_struct,cur_elem=None,None
    pos=0
    while pos<len(blob):
        if pos+4>len(blob): break
        L,rtype,dtype=struct.unpack(">HBB",blob[pos:pos+4])
        if L<4: break
        payload=blob[pos+4:pos+L]
        name=RECORD_NAMES.get(rtype,f"UNKNOWN_0x{rtype:02X}")
        data=None
        if dtype==0x02:   data=[struct.unpack(">h",payload[i:i+2])[0] for i in range(0,len(payload),2)]
        elif dtype==0x03: data=[struct.unpack(">i",payload[i:i+4])[0] for i in range(0,len(payload),4)]
        elif dtype==0x05: data=[decode_real8(payload[i:i+8]) for i in range(0,len(payload),8)]
        elif dtype==0x06: data=payload.decode("ascii",errors="replace").rstrip("\x00")
        elif dtype==0x01: data=[struct.unpack(">H",payload[i:i+2])[0] for i in range(0,len(payload),2)]
        # dispatch to library/cell/element fields （简化版，完整版见 gdstk）
        if name=="HEADER": doc["header"]={"version":data[0]}
        elif name=="LIBNAME": doc["libname"]=data
        elif name=="UNITS": doc["units"]={"db_in_user":data[0],"db_in_meter":data[1]}
        elif name=="BGNSTR": cur_struct={"name":None,"elements":[]}
        elif name=="STRNAME": cur_struct["name"]=data
        elif name=="ENDSTR": doc["structures"].append(cur_struct); cur_struct=None
        elif name in ("BOUNDARY","PATH","SREF","AREF","TEXT","NODE","BOX"):
            cur_elem={"type":name}
        elif name=="ENDEL": cur_struct["elements"].append(cur_elem); cur_elem=None
        elif cur_elem:
            if name=="LAYER": cur_elem["layer"]=data[0]
            elif name=="DATATYPE": cur_elem["datatype"]=data[0]
            elif name=="XY": cur_elem["points"]=[[data[i],data[i+1]] for i in range(0,len(data),2)]
            elif name=="SNAME": cur_elem["sname"]=data
            elif name=="WIDTH": cur_elem["width"]=data[0]
            elif name=="MAG": cur_elem["mag"]=data[0]
        pos+=L
    return doc

if __name__=="__main__":
    import sys
    doc=parse(sys.argv[1])
    print(json.dumps(doc,ensure_ascii=False,indent=2))

9.4 OASIS CBLOCK 多边形解码脚本

以下 Python 脚本解压 SRAM.oas 的 CBLOCK 并逐条解码全部 POLYGON 记录（含 g-delta 运算）。输出的层、坐标、delta 与每条记录字节数可逐项核对 §4.11。

oas_polygons.py — OASIS CBLOCK 多边形解码器


"""Decode all POLYGON records from an OASIS CBLOCK body."""
import json, zlib, sys

data = open(sys.argv[1], "rb").read()

def uint(buf, p):
    v, shift = 0, 0
    while True:
        b = buf[p]; p += 1; v |= (b & 0x7F) << shift; shift += 7
        if not b & 0x80: return v, p

def sint(buf, p):
    v, p = uint(buf, p)
    return (-(v >> 1) if v & 1 else v >> 1), p

DIRS = {0:(1,0),1:(0,1),2:(-1,0),3:(0,-1),4:(1,1),5:(-1,1),6:(-1,-1),7:(1,-1)}

pos = data.index(b"\x22\x00", 30) + 2  # find CBLOCK
usize, pos = uint(data, pos)
csize, pos = uint(data, pos)
body = zlib.decompress(data[pos:pos+csize], -15)

polygons = []
q = 0
while q < len(body):
    start = q
    rec = body[q]; q += 1
    if rec != 21: break  # only POLYGON in this file
    info = body[q]; q += 1
    entry = {"info": f"{info:08b}"}
    if info & 0x01: entry["layer"], q = uint(body, q)
    if info & 0x02: entry["datatype"], q = uint(body, q)
    if info & 0x20:
        ptype = body[q]; q += 1
        cnt, q = uint(body, q)
        deltas = []
        for _ in range(cnt):
            if ptype in (0, 1):
                d, q = sint(body, q); deltas.append({"val": d})
            elif ptype == 4:
                v, q0 = uint(body, q); q = q0
                if v & 1 == 0:
                    dx, dy = DIRS[(v>>1)&7]; m = v>>4
                    deltas.append({"dx":dx*m,"dy":dy*m,"form":1})
                else:
                    xs = -(v>>2) if v&2 else v>>2
                    y, q = sint(body, q0)
                    deltas.append({"dx":xs,"dy":y,"form":2})
        entry["point_list"] = {"type": ptype, "count": cnt, "deltas": deltas}
    if info & 0x10: entry["x"], q = sint(body, q)
    if info & 0x08: entry["y"], q = sint(body, q)
    entry["bytes"] = q - start
    polygons.append(entry)

print(json.dumps({"polygon_count": len(polygons), "polygons": polygons},
      ensure_ascii=False, indent=2))

9.5 样例文件解码数据（完整 45 个多边形）

以下是通过 §9.4 脚本从 SRAM.oas 解出的全部 45 个多边形的层、类型、点数和首点坐标。与 GDS 源文件中 45 个 BOUNDARY 的层/坐标完全一致，确认几何无损。

#	layer	点列表类型	delta 数	首点 (x, y)
0	1	4 (g-delta)	7	(−270, 40)
1	1	0 (1-delta)	2	(−200, −78)
2	1	0	2	(50, 77)
3	1	4	7	(270, −40)
4	1	0	2	(−460, −10)
5	1	0	2	(−460, −270)
6	1	0	2	(390, −10)
7	1	0	2	(−460, 160)
8	1	0	2	(−560, −10)
9	1	0	2	(−460, −190)
10	1	0	2	(440, −110)
11	1	0	2	(480, −110)
12	1	0	2	(400, −270)
13	1	0	2	(450, −270)
14	1	0	2	(250, 90)
15	1	0	2	(200, −90)
16	2	0	2	(−600, 340)
17	2	0	2	(−600, 340)
18	2	0	2	(−400, 120)
19	2	0	2	(−400, 120)
20	2	0	2	(−400, 120)
21	2	0	2	(−380, 20)
22	2	0	2	(−380, 20)
23	3	0	2	(−530, 260)
24	3	0	2	(−530, 260)
25	5	0	2	(−220, −160)
26	6	0	2	(−210, −220)
27	6	0	2	(−210, 160)
28	6	0	2	(−210, 160)
29	6	0	2	(−210, 160)
30	6	0	2	(−210, 60)
31	7	0	2	(−200, −80)
32	7	0	2	(50, 80)
33	7	0	2	(50, −250)
34	7	0	2	(−200, 180)
35	7	0	2	(50, 180)
36	8	0	2	(−320, 200)
37	40	0	2	(−520, 240)
38	40	0	2	(−520, 240)
39	40	0	2	(−320, 120)
40	40	0	2	(−320, 120)
41	50	0	2	(−400, −300)
42	51	4	7	(200, −470)
43	51	0	2	(−200, −470)
44	51	0	2	(−300, −260)

层统计与 GDS 源完全一致（layer 1—16 个、2—7 个、3—2 个、5—1 个、6—5 个、7—5 个、8—1 个、40—4 个、50—1 个、51—3 个），总计 45 个；各记录字节数之和 635 B，与解压尺寸一致。

posted @ 2026-10-19 17:02 起飞的乌龟阅读(46) 评论(0) 收藏举报

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GDSII 与 OASIS 版图文件格式：从第一性原理到芯片制造

1. 第一性原理：版图文件要回答什么问题

1.1 制造端真正需要的输入

1.2 为什么不直接存位图

1.3 推导出的最小数据模型

1.4 层次 = 有向无环图（DAG）

1.5 两种格式的定位

2. 共同的几何语义

2.1 单位与网格

2.2 实例变换

2.3 层号与数据类型

3. GDSII：逐字节拆解

3.1 唯一的结构单元：记录

3.2 数据类型（字节 3）

3.3 Real8：不是 IEEE 754

3.4 记录类型（字节 2）

3.5 文件语法

3.6 各元素的字段语义

3.6.1 位字段

3.6.2 库级字段

3.7 实例：SRAM.gds 逐字节解剖

3.7.1 库头 — 逐记录走读

3.7.2 第一个多边形（8 边形、斜边）— 完整记录序列

3.7.3 XY 坐标展开（第一个多边形，全部 9 点）

3.7.4 第二个多边形（矩形）— 完整记录序列

3.7.5 全文件记录统计

3.7.6 全部 45 个多边形的层分布

3.8 GDSII 的结构性局限

4. OASIS：逐字节拆解

4.1 设计思路：逐项消灭 GDSII 的冗余

4.2 文件骨架

4.3 基本编码

4.3.1 整数（Varint）

4.3.2 实数（首字节为类型标记）

4.3.3 字符串

4.3.4 位移量（Delta）

4.4 记录类型表

4.5 info 字节：每条元素记录的"存在位图"

4.6 模态变量：OASIS 解析器的核心状态

4.7 点列表类型

4.8 重复（Repetition）

4.9 名称表与前向引用

4.10 CBLOCK 与 END

4.11 实例：SRAM.oas 逐字节解剖

4.11.1 顶层记录走读

4.11.2 解压后的前两个多边形 — 逐字节解码

4.11.3 全部 45 个 OASIS 多边形解码汇总

5. GDSII 与 OASIS 对比

5.1 结构对比

5.2 体积实测

5.3 互转的信息损失

6. 解析器如何工作

6.1 GDSII 读取：两遍式流解析

6.2 OASIS 读取：状态机 + 延迟名字解析

7. Fab 如何解析版图并完成芯片生产

7.1 全流程总览

7.2 [0] 设计方交付物

7.3 [1]–[2] 数据接收、解析与归一化

7.4 [3] 层映射：设计层 → 掩模层

7.5 [4] Frame：拼版与辅助结构

7.6–7.7 [5]–[6] 签核复查与 Dummy Fill

7.8 [7] RET / OPC：让图形"印得出来"

7.9–7.10 [8]–[9] OPC 后验证与 MDP

7.11 [10] 掩模制造

7.12 [11] 晶圆制造：单层循环

7.13 掩模层在工艺中的顺序（逻辑工艺示意）

7.14 [12] 测试、切割与封装

7.15 版图文件的每个要素去了哪里

8. 总结

9. 附录

9.1 gdstk 核心架构

9.2 关键源码位置（github.com/heitzmann/gdstk）

9.3 GDSII 记录级解码脚本

9.4 OASIS CBLOCK 多边形解码脚本

9.5 样例文件解码数据（完整 45 个多边形）

公告