Нашел у себя ошибки в конфигурации. В тесте ApacheBench удалось уйти за 1000 конкурентных подключений без ошибок.

При этом я поменял тестовый стенд и провел "синтетическое" тестирование ApacheBench с разным количеством нод чтобы получить какие-то опорные данные для сайзинга серверов и сравнить MariaDB vs PostgreSQL.

Поставил postgresql 9.4.

Ситуация с неполной нагрузкой не повторяется. Все ядра на серверах приложений и БД полностью утилизированны. Это уже хорошо. Выделил под кеши postgresql 4 GB. IOPS на диск БД во время теста нет, т.е. все берется из кеша.

Ошибка в таблице semaphore
При больших нагрузках в БД начала вылазить ошибка добавления существующего уникального ключа в таблицу semaphore. Для MySQL есть рекомендация конвертировать таблицу Semaphore в Memory, на крайний случай использовать MyISAM вместо InnoDB.

MariaDB c XtraDB тоже тестировал. Существенной разницы не заметил.