GDSII와 OASIS 파일에 대하여

IC layout 의 결과물이라고 할 수 있는 stream file은 GDSII와 OASIS 두 format이 있다.

오늘은 GDSII , OASIS file format의 간단한 history를 찾아서 소개해 본다.

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GDS(= Graphic Design System)

 

GDSII stream 포맷은 집적회로, 즉 IC 레이아웃 아트워크의 EDA 데이타 전달을 위한 사실상의 산업표준 파일 형식이라 할 수 있는데, 2차원 2D CAD 파일 형식으로 평면의 기하학적 모양, 텍스트 레이블 및 계층적(hierarchical) 형태로 레이아웃에 대한 정보를 나타내는 바이너리 파일 형식이다.

이 데이터는 레이아웃을 공유하거나 서로 다른 EDA tool 사이의 DB 전송 또는 photomask 생성에 사용할 레이아웃의 일부 또는 전체를 재구성하는 데 사용 할 수 있다.

 

처음에 GDSII는 집적회로의 photomask plotting을 제어하기 위해 사용되는 stream 형식으로 만들어졌다.

제한된 기능과 낮은 데이터 밀도에도 불구하고 다양한 업체의 EDA tool 사이에 IC 레이아웃 데이터를 전송하기 위한 업계의 메이저 stream 형식이 되었으며, 한 때 독점적인 데이터 형식으로 군림했다.

 

GDSII는 1971년에 만들어진 GDS 포멧의 후속 버전으로 1978년 CALMA에서 도입했으며, 일반적으로 IC 설계 주기에서 최종적으로 출력되는 파일로서 IC 제조를 위해 파운드리 업체에 전달되는 파일이다.

GDSII 파일은 원래 마그네틱 테잎에 저장하여 전달하였기 때문에 요즘도 IC 설계의 최종 마감하는 작업을 테잎아웃이라고 부르고 있다.

 

GDSII 파일에 포함된 객체는 "레이어 번호", "data type" 또는 "text type"을 포함하여 숫자 속성을 할당하여 그룹화된다.

이러한 속성은 집적회로를 제조하는 데 사용되는 "레이어" 에 할당되도록 설계되었지만 physical 레이아웃이 설계되는 방식을 반영하기 위해 그 의미가 빠르게 추상화되었다.

 

GDSII stream 형식은 사실상의 표준이므로 거의 모든 EDA 소프트웨어 업체에서 지원하고 있으며, 상용 공급업체 외에 무료 GDSII 유틸리티도 많이 있다.

이러한 무료 tool에는 editor, viewer, 레이아웃 데이터를 일반적인 3D 형식으로 변환하는 유틸리티, 3D 버전을 탐색하는 유틸리티, 바이너리 형식을 사람이 읽을 수 있는 아스키 형식으로 변환하는 유틸리티 및 라이브러리가 포함된다.

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OASIS(= Open Artwork System Interchange Standard)

그런데 GDSII는 집적회로 설계에 (고작)수십만 개의 도형, 속성 및 배치를 관리해야 했던 1970년대에 만들어졌지만, 오늘날에는 수십억 개의 도형, 속성 및 배치를 관리해야 한다.

때문에 16비트 및 32비트 내부 정수 필드, cell native 기하학적 도형의 비효율적인 표현, 높은 구조적 오버헤드로 제한되는 GDSII 형식은 최첨단 설계에 사용하기 어려워졌고 파일 크기가 너무 커져서 다루기 어려워졌으며, DB가 클 경우에는 수십 기가바이트까지 용량이 커지게 되었다.

이러한 이유로 2001년 가을에 SEMI(주석참고)의 Data Path Task Force는 20년 이상 레이아웃 데이터 전달을 위한 사실상의 표준으로 IC 산업에 사용되어 온 유서깊은 GDSII stream 포맷의 후속 포맷을 정의하기 위한 작업 그룹을 구성했다.

 

GDSII의 후속 형식은 다음과 같은 몇 가지 전반적인 목표를 가지고 있었다.

- GDSII stream 대비 최소한 10배의 파일크기 개선을 달성한다.

- 모든 16비트 및 32비트 정수 너비 제한을 제거하여 새로운 형식을 완전히 64비트로 만든다.

- Flat native 기하학적 도형을 대용량 탑재로 효율적으로 표현한다.

- 설계와 제조 간에 레이아웃 관련 정보를 교환하기 쉽도록 보다 풍부한 정보 팔레트를 제공한다.

 

이렇레 하여 만들어진 새로운 stream 포맷이 OASIS(Open Artwork System Interchange Standard)이다.

OASIS 포맷을 만드는 작업은 2001년 6월에 시작되었고 버전 1.0은 2004년 3월에 출시되었다.

이를 사용하기 위해서는 이미 GDSII read, write 기능이 장착되어 있는 설계 및 제조 장비에 결합할 수 있는 새로운 OASIS reader, writer도 개발해야 했다.

OASIS 포맷의 채택은 미국, 일본, 대만, 한국, 유럽의 집적회로 설계, 장비, photomask, 팹리스, IP 및 제조회사의 협력을 통해 이루어졌다.

 

OASIS는 GDSII와 마찬가지로 photomask 제작을 위한 데이터 구조 지정에 사용되는 바이너리 파일 형식이다.

위에 서술한 바와 같이 SEMI에서 개발하였고, 직사각형, 사다리꼴, 다각형과 같은 기하학적 모양에 필요한 코드를 정의하며 또한 각 모양이 가질 수 있는 속성 유형, 이러한 모양으로 만든 패턴을 포함하는 셀로 구성하는 방법, 각 모양을 서로 상대적을 배치하는 방법을 제공하여 GDSII의 후속 버전이라고 생각하면 되겠다.

OASIS 제작자와 사용자는 워크스테이션의 데이터 저장 및 처리 기능의 성장이 집적회로 레이아웃 복잡성의 성장보다 훨씬 더 빠르다고 주장하였다.  따라서 OASIS는 복잡한 유형의 기하학적 모양(사다리꼴만 25개 유형)을 도입하여 데이터 크기를 줄임으로써 GDSII 파일의 크기가 크다는 문제를 해결하고자 했다.

또한 좌표에 대한 가변 길이 숫자 형식이 구현되었고, 마지막으로 OASIS 파일의 각 셀은 gzip과 유사한 알고리즘으로 독립적으로 압축할 수 있다.

 

실제로 동일한 레이아웃 디자인에 대하여 GDSII와 OASIS 각각의형식으로 stream-out을 실행하여 파일 크기를 비교해 보면 OASIS 파일 크기가 10분의 1 이하로 더 작은 것을 확인 할 수 있다.

결론적으로 DB 용량이 큰 설계에서는 확실히 OASIS 포맷이 대세로 전환되고 있다.

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주석: SEMI 는 전자 설계 및 제조 공급망에 참여하는 회사로 구성된 산업협회이다.

이들은 반도체, 태양광 패널, LED 및 평판 디스플레이, 마이크로 전기 기계 시스템(MEMS), 인쇄 및 유연 전자제품, 마이크로 및 나노 기술제조 관련 장비, 재료 및 서비스를 제공한다.