Время на выполнение обязательно будет увеличиваться при увеличении числа одновременных запросов, это очевидно, по другому и быть не может. Другой вопрос почему так сильно увеличивается, 100 потоков это не так много, но время ответа слишком сильно выросло. Тут вопрос не столько в самом Ngnix, сколько в том что именно на нем крутится, какие запросы отправлялись и кто их отправлял. Криво построенный функционал может упираться например в дисковые операции или нерационально обращаться с БД или перегружать процессор (что маловероятно, ибо настолько кривой код все таки редкость). Можно проверить это предположение если повестить ramdisk на нее кинуть статическую html страничку и ее раздать в Ngnix, если по ней будут показатели на порядок лучше нужно проверять то, что на нем крутится. Если же нет, тогда можно проверять Ngnix.