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Rain
May 3, 2021
GDSII（GDS II Stream Format）是用於交換與封存積體電路版圖的二進位格式。它以階層方式組織結構（structure/cell）及其圖形元素，描述版圖中的幾何形狀、文字標籤、圖層與結構參考，它不是電路連線網表 (Netlist)，也不會單獨定義各製程圖層的物理意義。GDS 檔通常由 EDA 工具從版圖資料庫匯出，並交付給下游工具或晶圓廠使用。
另一種常見格式是 OASIS（Open Artwork System Interchange Standard）。相較於 GDSII，OASIS 支援更有效率的資料表示與壓縮，並能利用重複結構減少大型版圖的檔案體積。實際的讀寫、載入與繪圖效能仍取決於設計內容及 EDA 工具，GDSII 因相容性與既有流程成熟，至今仍廣泛使用。
GDSII 是由一連串可變長度的 record 組成。每筆 record 的前 4 個位元組是 header，其中前 2 個位元組表示整筆 record 的長度（以 byte 計，包含這 4 個 header bytes），第 3 個位元組是 record type，第 4 個位元組是 data type。數值以 big-endian 儲存；record 長度為偶數，下一筆 record 緊接在本筆結尾。
Header 之後才是 payload，data type 會指出 payload 的基本表示方式，例如 bit array、2-byte 有號整數、4-byte 有號整數、8-byte REAL，以及 ASCII 字串；實際欄位意義、數值個數和排列順序則由 record type 規定。版圖 XY 座標是以 4-byte 有號整數儲存，並以 UNITS record 定義的 database unit 解讀；GDSII 的 REAL 格式也不是 IEEE 754 浮點數格式。
GDSII 的 record 順序並非任意，而是依格式規範排列。常見的 library 開頭包含 HEADER（版本）、BGNLIB（library 的修改與存取時間）、LIBNAME（library 名稱）及 UNITS（使用者單位與 database unit 的換算）；之後是多個 structure，最後以 ENDLIB 結束。每個 structure 通常由 BGNSTR、STRNAME 開始，包含多個 element，並以 ENDSTR 結束。詳細順序可參考GDSII Stream Format Manual。
UNITS record 很重要：它定義 user unit 與 database unit 的比例，以及一個 database unit 對應的實際長度（公尺）。XY 座標本身是整數，不直接帶有 um 或 nm 等單位；讀取座標時必須搭配 UNITS 解讀。Layer number 和 datatype 也是數值代碼，其對應的金屬層、繪圖用途等意義，通常由製程 layer map 或技術文件定義。
版圖 element 常見的類型有以下 7 種：
這些元素通常依序由元素起始 record（例如 BOUNDARY 或 PATH）、屬性 record（如 LAYER、DATATYPE、XY）描述，並以 ENDEL 結束。GDSII 保留的是階層與幾何表示；像 SREF/AREF 這類引用讓重複 cell 不必在檔案中展開複製，讀取工具再依結構參考與變換還原其位置。
在處理 GDSII 版圖資料時，常見的演算法包括幾何布林運算（Boolean Operations）、版圖縮放（Layout Scaling）、網格化（Tiling）以及重複結構展開（Instance Expansion）等。這些演算法通常需要考慮階層結構、元素類型、座標精度與單位轉換等因素，以確保處理後的版圖仍保持設計意圖。
另外還有常見的幾何重疊檢測（Geometric Overlap Detection），用於追蹤同層和不同層的 Metal 連結關係，這裡想針對 Metal 的重疊檢測進行說明。
由於 GDSII 可能涵蓋大量的幾何圖形，因此分成兩大步驟的操作，分別是快速篩選（Broad Phase）與精確檢測（Narrow Phase）。快速篩選通常利用空間資料結構（如四叉樹、R 樹），以及 Bounding Box 快速排除不可能重疊的元素，縮小候選集合，其中 Bounding Box 會使用 AABB（Axis-Aligned Bounding Box）的方式進行檢測，是使用了 GDSII 表示的一種特性，因每個 Polygon 的邊界都可以用最小的軸對齊矩形來包覆，從而快速判斷潛在的重疊情況。
精確檢測則對候選集合中的元素進行逐一幾何重疊判定，以確保檢測結果的正確性，通常會包含 Polygon Intersection、Edge Intersection 以及 Point in Polygon 等幾何判定方法，其中 Point in Polygon 會使用 Ray Casting 演算法進行判定。
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