По совету выше я использовал вариант с Lua
Пришлось день потратить, чтоб разобраться в Lua, накодил в конфиге nginx-а, в итоге получилась именно такая схема как я хотел.
Сначала запрос на вышестоящий сервер, потом на мой fastcgi. Сам ответ от сервера на fastcgi в итоге передал через memcached.
Спасибо.