Há no seu código vários fatores que irão impactar diretamente na performance da aplicação sem que seja culpa direta do Python, mas apenas de má estruturação do código mesmo.
Primeiro, você define um laço de repetição infinito que, por definição, não tem fim e, portanto, seu código jamais parará de executar. Pior que isso, faz um laço infinito em uma condição de não deveria ser infinito. A quantidade de possíveis CPFs, isto é, sequências de 11 caracteres numéricos, é finita, então não há motivos para ficar infinitamente consultando de maneira aleatória.
Para contornar isso, você pode definir um gerador que definirá todos os possíveis CPFs e iterar sobre ele. O Python nativamente possui uma função para isso: itertools.combinations_with_replacement
. Aliás, você não precisará testar todas as possibilidades, pois é sabido que os dois últimos dígitos do CPF são dígitos verificadores, então ao invés de você descobrir que o CPF não existe requisitando uma API externa - que é extremamente custoso para aplicação - você pode implementar você mesmo o validador dos dígitos. Outra abordagem seria gerar todas as possibilidades de CPF com apenas 9 dígitos e calcular quais seriam os dígitos verificadores e assim garantir que seja uma sequência válida.
Segundo, que você abre e fecha os arquivos para cada CPF analisado. O processo de abrir e fechar arquivos do disco também é uma tarefa bastante dispendiosa para a sua aplicação. Se você vai sempre trabalhar com os mesmos dois arquivos, por que, então, não abrí-los apenas de uma vez fora do laço de repetição?
with open('cpfs_validos.txt', 'a+') as validos, open('cpfs_invalidos', 'a+') as invalidos:
for cpf in cpfs:
...
Terceiro e a mais importante, você depende exclusivamente de uma API externa. Não só como não está sob o seu controle como fazer requisições HTTP são bastante custosas. No seu caso fica ainda pior porque você faz apenas uma requisição de forma síncrona, isto é, enquanto sua aplicação não receber a resposta da API o programa irá ficar travado, sem ter o que fazer. Para melhorar esse processo você pode fazer uso de processos assíncronos utilizando o pacote asyncio
e concomitante a isso poderá fazer múltiplas requisições simultâneas visto que elas passarão a ser assíncronas. Porém, mesmo implementando isso, você estará acorrentado às limitações da própria API. Muitas delas não se preocupam muito com tempo de resposta e algumas - principalmente gratuitas - limitam o número de requisições por tempo. Tudo isso fica a seu cargo cuidar.
Fazendo isso com certeza o tempo de execução da sua aplicação diminuirá muito, mas não garanto que para níveis que você espera. Se isso não acontecer, talvez valha a pena cogitar mudar de API para alguma mais performática ou até mudar de linguagem de programação.