É possível que uma única aplicação funcione em vários processos ao mesmo tempo?

Sim, uma aplicação Android pode funcionar em vários processos simultaneamente. Por padrão, todos os componentes da aplicação funcionam num único processo, mas com o atributo android:process no manifesto, pode indicar-se que um componente específico (por exemplo, um serviço ou uma atividade) deve ser iniciado num processo separado.

Isto é útil para descarregar o processo principal, isolar recursos ou melhorar a estabilidade. No entanto, os dados em memória não serão partilhados entre processos, pelo que, para trocar dados, deve usar-se IPC (por exemplo, Binder, Messenger ou ContentProvider).

Exemplo no AndroidManifest.xml:

<service android:name=".MyService"
         android:process=":remote" />

Aqui, o serviço MyService irá funcionar num processo separado chamado :remote.