Você está testando o PHP, não o Nginx. Para esperar mais de 600 solicitações por segundo com PHP, é necessário um código muito sólido e um servidor bastante rápido.
Onde você provavelmente está errado, você acha que o Nginx é como o Apache - o que está muito longe da verdade. Em uma configuração típica, o Apache irá embutir o executável PHP dentro de seus próprios processos.
Você diz the php-fpm is handled by nginx:
, mas não é. O PHP é passado via fastcgi para php-fpm. Fastcgi é apenas um protocolo de comunicação. O PHP é manipulado pelo próprio PHP e se você quiser otimizá-lo, você deve otimizar seu código PHP.