互补视觉芯片设计
基于这个范式，清华团队设计出世界第一款名为「天眸芯」（Tianmouc）的类脑互补视觉芯片。

那么，这款芯片的设计架构是怎样的？

使用传统图像传感器架构实现互补传感范式，将面临诸多挑战。

首先，设计像素阵列时，需确保其能够在同一焦平面（focal plane）上，同时进行光电信息转换。

此外，两条读出路径的架构，必须包含能够处理不同数据分布和模态的异构模块。

如上图a所示，「天眸芯」采用90纳米背照式CMOS（Back-illuminated sensor）技术制造，包含了两个核心部分：

一是，用于将光学信息转换为电信号的混合像素阵列；另一个是，用于构建两个CVP的并行和异构读出架构。

背照式混合像素阵列的像素结构示意图

受感光细胞（photoreceptor cell）启发，混合像素阵列由锥体启发，以及杆体启发的像素组成，具有不同的特性，如颜色、响应模式、分辨率和灵敏度。

这些像素可以将视觉信息，解析为特定的颜色（红、绿、蓝），以及白色光谱，以作为颜色对立视觉原语。

它们还可以通过，高或低的电荷到电压转换增益，调整为四种不同的灵敏度，从而利用高增益模式的低噪声和低增益模式的高饱和容量，以实现高动态范围。

受锥体启发的像素，设计为4微米精细间距，用于绝对强度感应。

视锥细胞和视杆细胞的像素示意图

而视杆细胞启发的像素则有两个较大的感受野，分别为8微米和16微米，用于感应TD和SD。
时空连续像素架构，通过使用高密度像素内存，进而实现TD和SD计算。
具体而言，视杆细胞启发的像素以乒乓操作（ping-pong behaviour）缓冲历史电压信号，以便在AOP读出中连续计算TD。
对于跨块的视杆细胞启发像素中相同的内存，可以重新组织以计算SD，如下图b中的操作阶段所示。

总而言之，完整的混合像素阵列包括320×320个视锥细胞启发像素和160×160个视杆细胞启发像素。

此外，沿两条路径传输的电信号会表现出不同的特性，包括数据分布和稀疏性的差异。

这就要求，采用不同方法以适当速度和精度，将信号编码为数字数据。

为了解决这一挑战，「天眸芯」便采用了并行和异构读出架构。

对于认知导向通路（COP），绝对强度信号到密集矩阵的准确转换至关重要。这是通过单斜率模数（single-slope analog-to-digital）架构实现的。

相比之下，行动导向通路（AOP）需要，对具有对称拉普拉斯分布和稀疏性特征的「时空差异信号」快速编码。

因此，研究人员特意采用了专门的读出架构（如下图c）。

其中，可编程阈值滤波器用于最小化计算的TD和SD信号中的冗余和噪声，同时保留关键信息。

随后，这些信号使用具有可配置精度的，快速极性自适应「数模转换器」进行量化。

此外，数据打包器用于实现稀疏可变精度TD和SD信号的无损压缩，并采用统一协议（如图d所示——显示了「天眸芯」整体布局的光学显微照片）。

这种方法提供了自适应能力，以减少带宽并进一步提高AOP的操作速度。