Se você tiver um único item de cache (ou poucos itens) que é usado com muito mais frequência do que qualquer outro item, você verá esse comportamento de distribuição de carga desigual.
Você deve verificar seu aplicativo para esse tipo de itens de cache. Talvez você possa registrar todos os pedidos de memcache para encontrar esses itens. Depois de identificar esse item, você precisa pensar em como dividir e distribuir chamadas para esse item em vários itens.
Eu acredito que não existe uma solução única para esse tipo de problema, porque depende da lógica da aplicação, do número de leituras e gravações, etc.