Подскажите пожалуйста, в каких направлениях искать причину проблемы.
На сколько могу судить я, не будучи разработчиком NginX, никакой проблемы
здесь нет. Если тестировать ТОЛЬКО выполнение PHP-скриптов с проксированием и
без, то логически очевидно, что дополнительный слой типа проксирования будет
вносить лишь дополнительный задержки. Задача NginX обычно состоит слегка в
другом.
// Вчера в IRC-канале NginX в RusNet пробегала ссылка[1]. Мне не нравится ни
стиль написания автора, ни называние NginX "нгинксом", но саму суть он (как
раз для вашего случая) изложил верно.
[1] http://slonik-v-domene.livejournal.com/142305.html
