открою вам страшную тайну: "процесс штука тяжелая" - это только в вашей б-жественной десяточке.
В современных (~2000+ года издания) юникс-лайк системах процесс сам по себе - примерно так же "тяжел", как и userspace реализация "epoll based fsm". Разница в реальном мире есть, но не на порядки, а максимум в разы.
И если процесс висит на синхронном socket write - твое "3g" никаких контекст-свитчей не вызывает, пока весь буфер не уедет на ту сторону.

А проблемы обычно возникают (на современном железе и на современных задачах) как раз с быстрыми юзерами на быстром канале, запросы которых просто не успевает обрабатывать сам php. nginx тут может ограничено помочь, кэшируя его выхлоп, но это очередная область магии, доступная (без последствий в виде залипшей в кэше устаревшей информации) немногим.

В свое время кое-кто делал замены на bitrix + memcache + nginx в разных комбинациях. Получилось что собственное кэширование битрикса (а ведь сложно найти большее уродство) - эффективнее любого внешнего, не знающего, что можно кэшировать, а что бессмысленно.