memcached не принимает большие данные

$cached_cities = $memcached->get('decoded-cities');
if($cached_cities) {
    $cities = $cached_cities;
} else {
    $uncached_cities = json_decode(file_get_contents('../../assets/json/cities.json'), true);
    $memcached->set('decoded-cities', $uncached_cities, 604800);
    $cities = $uncached_cities;
} 

Он не принимает, потому что ограничение по умолчанию на 1 запись 1 мб. Измените параметры запуска или конфиг как тут https://stackoverflow.com/a/29227471/5996783

У вас не получится сколько-нибудь существенно выиграть таким образом, так как при сохранении в memcached ваш массив будет снова сериализован. Затем снова рассериализован. То есть, вы натолкнётесь на ту же самую проблему, но с другим видом сериализации.

Лучшим решением было бы хранить результат чтения JSON сразу в файле PHP:

file_put_contents('cache.php', '<?php return '.var_export($array, true).';');

Этот шаг следует делать не каждый раз, а только при обновлении JSON файла. Например, делая так при сборке проекта:

if (!is_file('cache.php') || filemtime('data.json') > filemtime('cache.php')) {
    $data = json_decode(file_get_contents('data.json'), true);
    file_put_contents('cache.php', '<?php return '.var_export($data, true).';');
}

Использовать сохранённые таким образом данные проще простого:

$data = include 'cache.php';

Если вы используете кеш инструкций, что скорее всего, то загрузка данных из такого файла будет происходить моментально.

Если же вам обычно не нужны все-все данные из этого файла, или вы собираетесь делать по ним выборку, то ещё лучше будет хранить данные в БД.

Если же вы думаете что сможете сделать проект быстрее за счёт отказа от БД, то подумайте хорошо. Современные БД очень оптимально работают с данными: вам нужно очень постараться чтобы обогнать их. Лучше будет сначала измерить скорость поиска в БД с необходимыми индексами прежде чем пытаться изобрести очередной велосипед.

В вашем случае обычные БД вроде MySQL будут работать быстрее хотя бы потому что им не нужно загружать в память весь набор данных при каждом запросе.

Скорее всего в php.ini не настроен, возможно что это проблема связаная, с тем что сервер memcahed не может принимать Json, эта настройка опять же есть в php.ini. Попробуйте прочесть это - http://php.net/manual/ru/memcached.setup.php и это - http://php.net/manual/ru/memcached.configuration.php