Во первых схема которая получится на нескольких разных контроллерах при одной и той же суммарной производительности (пусть даже и на АВР) будет стоить гораздо больше чем на одном (например на ARM или DSP).
Во вторых из-за необходимости обмена информацией это ещё более замедляет общую скорость работы.
В третьих увеличится и усложниться разработка как программной, так и аппаратной части.
ИМХО я абсолютно не вижу смысла объединять несколько контроллеров в кластер, когда можно взять один более мощный камень и уже на нем реализовать данную затею. Это будет дешевле, проще, надежнее и быстрее.