Как ускорить отдачу динамически генерируемых thumbnail'ов на PHP + GD?
Генери заранее только самую большую из превьюшек. на будет заведомом меньше монстра 5000х5000 и из нее првеьюшки будут генериться куда быстрее чем из исходной 

вместо гд можно еше использовать имеджик - он покачественнее, пошустрее и поумнее
Кэш, используй кэш. Сгенируруй в наименее загруженное время, запиши на диск, потом клиентам из кэша отдавай. Под такую задачу цпу не напасешься.
Вообще не понимаю зачем столько мороки и каждый раз отдавать разные размеры? Просто интересно.