Вопрос: Может ли в highload проекте c архитектурой frontend + REST backend использоваться PHP на обеих сторонах?

Лучший ответ: Вы изначально неверно поняли картинку, посмотрите внимательно какие технологии используются на фронтэнде (HTML, CSS, JS). Обычно делается так:
бекэнд - любой язык, REST
фронтэнд - nginx отдает index.html (условно говоря на любой запрос) + стили + js (много кода на js. Фактически вся логика сайта написана на js). JS код уже смотрит на текущий адрес страницы, производит роутинг, рендерит layout (пока ни одного запроса к бекэнду, кроме инициализирующего), затем по ссылке он понимает какие данные ему нужны от бекэнда (к примеру список задач на сегодня) и делает асинхронный запрос (из js'а. Это может быть несколько запросов к разным частям апи). Получив ответ на этот запрос (в виде json) js разбирает его и рендерит на шаблон (все это на js). Таким образом мы получаем: бекэнд не занимается рендерингом шаблонов, значительная часть логики отрисовки и роутинга находится на клиенте и он сам с ней разбирается, гибкость системы (бекэнд может использоваться для мобильных приложений, к примеру).
То, что описали Вы - трудно назвать правильной архитектурой. По сути Ваш "фронтэнд" - обычный прокси запросов, который все также генерит Html на сервере (тратит ресурсы сервера, а не клиента) + еще курлом гоняет бекэнд. Прироста производительности с такой архитектурой Вы не получите.

Худший ответ: Для всех, кто подписан на вопрос - текущее решение: многослойное приложение https://icons8.com/
Всё сложно.
1. бакенд https://api.icons8.com/ на PHP Yii MySQL Memcached RabbitMQ Sphinx CouchBase. Занимается хранением и организацией информации об иконках и их файлах. Работает по HTTP RPC-style API - принимает и выдаёт данные в форматах JSON/XML
2. фронтенд https://icons8.com/ на PHP Yii Memcached Gulp - занимается хранением JS, CSS, реализует авторизацию, личный кабинет и некоторые другие страницы, сборкой JS/CSS, выдаёт изображения для оформления страниц. Для личного кабинет работает с https://api.icons8.com/ через HTTP.
3. фронтенд (Reach Client Application) https://icons8.com/web-app/ https://icons8.com/responsive-icons/ и другие страницы, на которых что-то "шевелится" :) на AngularJS SCSS Jade
4. Приложения на ObjectveC для MacOC и С# для Windows https://icons8.com/app - реализуют то же, что https://icons8.com/web-app/ помощью CouchBase и https://api.icons8.com/
5. внутренние приложения по обработке файлов иконок PHP Yii RabbitMQ и много утилит для работы с графическими и векторными файлами - обрабатывает файлы SVG, конвертирует в другие форматы - работает с https://api.icons8.com/ через HTTP и очереди RabbitMQ
6. блог на PHP Wordpress icons8.com/blog который прозрачно стыкуется с icons8.com (описание habrahabr.ru/company/dataart/blog/236635/#comment_...
7. генератор страниц в формате HTML из страниц на JS на NodeJS PhantomJS с помощью https://github.com/icons8/impresser -  это для успешной индексации поисковыми роботами
Любую часть системы можно размножить, но пока всё крутится на двух машинах: VDS для пунктов 1...6 и dedicated для пункта 7. Был ещё выделенный сервер Mac под пункт 5 чтобы выдавать иконки в формате PSD AI, но сломался слегка.
Планируется, что фронт на JS станет также работать с https://api.icons8.com/ через WebSocket