Ну начнем с того что вариант с репликами и виртуалками это откровенный бред и пустая трата ресурсов, ладно бы шардили, тогда можно было бы при правильном подходе распаралелить map-reduce (в теории). Да и виртуалки не нужны, можно же просто на разных портах несколько инстансов поднять.
А вообще тема довольно изъезженная. В частности CPU грузить банально нечем, все упирается в IO.
https://groups.google.com/forum/#!topic/mongodb-us... 
